科技圆桌｜只烧开了一壶水 但或许开启了一个时代

封面新闻记者 张峥

“实验室的一小步，人类文明的一大步”。从0到1可能是漫长的一甲子。

上世纪60年代，物理学家约翰·霍普金·纳科尔斯带领美国加州的劳伦斯利弗摩尔国家实验室团队，设想用激光实现聚变点火； “两弹元勋”、四川大学原子核科学技术研究所的第一任名誉所长王淦昌院士，提出了利用激光打靶产生聚变中子的设想……然而，直到2022年12月13日，美国能源部宣布，当今世界上最大的惯性约束核聚变装置NIF实现激光点火，并实现净增益，这个人类面临的最艰巨的科学挑战之一才实现从0到1的突破。

有人说，这次激光点火产生的能量，只够把一壶水烧开，打另外一个比方，这个能量也就相当于1.6升可乐的热量。但是就这次点火而言，它最大的意义并不是产生了多少能量，而是这个产生的能量实现了净增益。这意味着聚集人类最顶尖的智慧才实现的从0到1的突破，一旦从实验室走向普罗大众，一旦投入和平使用，那么解决可持续的能源供给，那么减少因为争夺能源而发生的战争可能就不再是梦了。

12月14日，封面新闻专访了从事激光聚变研究多年，四川大学原子核科学技术研究所教授，博士生导师胡智民。邀请他对激光聚变点火的原理，中美两国对此的研究、如何投入商用等问题进行了深入浅出的解读。

胡智民

中国科学家有重要贡献

封面新闻：先请您科普一下核聚变和核裂变，有什么本质的区别。

胡智民：裂变是一个较重的核分裂成两个较轻的核，聚变是把两个较轻的核结合成一个较重的核。这两个过程中的反应物和生成物之间的质量是不相等的，通过爱因斯坦的质能方程E=mc2就能计算两个过程所释放的能量，但聚变过程所释放的能量往往是裂变的数倍。

封面新闻：激光核聚变点火，美国和中国的实践思路有何不同？中国目前的研究进展到了哪一步？中国在惯性约束核聚变上又有什么独特建树？

胡智民：激光核聚变点火一般指的是激光驱动惯性约束核聚变而言，往往需要采用一瞬间的高能驱动才能达到聚变点火所需要的苛刻的高温高密度条件。

目前我国的惯性约束聚变装置的总体规模和性能位列亚洲第一，世界第二，是仅次于美国NIF的存在。我们国家在该领域有着长期的积累和人才储备。1964年，“两弹元勋”王淦昌院士，他也是四川大学原子核科学技术研究所的首位名誉所长，就提出了利用激光打靶产生聚变中子的设想，1974年，“氢弹之父”于敏院士，他也是国家最高科技奖获得者、共和国勋章获得者，就在国际上独立提出了完整的间接驱动惯性约束聚变方案，并于1975年正式组建了激光聚变理论研究团队。直到1992年，美国才解密了间接驱动惯性约束聚变研究方案。最近几年，我国科学家也提出很多独辟蹊径的点火设想，一些高质量成果发表在物理学的顶级期刊Nature Physics、Physical Review Letters,得到了国际社会的广泛认可与关注。应该说中国科学家在激光聚变研究领域做出了重要的贡献。

什么是NIF？

封面新闻：您是从什么时候开始关注NIF？为什么会有“国家点火装置”这个称谓？请简单介绍一下NIF。

胡智民：我是在十多年前攻读硕士学位的时候，开始接触激光聚变研究，也是从那时开始了解到NIF的存在。

NIF的全称是National Ignition Facility，中文翻译为国家点火装置。NIF装置位于美国加州的劳伦斯利弗摩尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory；LLNL），耗费了约35亿美元建成的。它建立的唯一目标就是想通过激光驱动的方式实现核聚变反应的点火，从科学角度来说，它已经完成了历史使命。目前它仍然是世界上最大的激光装置。

封面新闻：激光核聚变点火的原理是什么？惯性约束核聚变装置，请解释一下实现原理？与磁性约束核聚变有何不同？

胡智民：要想实现核聚变需要提供一个高温高密度的环境条件，不仅如此，要让聚变过程自持的进行下去还需要将这个条件持续一定时间，也就是我们常说的约束时间，这是十分困难的。激光惯性约束聚变就是将多个高能的激光束同时注入一个厘米大小的圆柱形金属小腔产生高温的X射线辐射场，X射线辐射烧蚀一个置于金属小腔正中的直径约几毫米的装有聚变燃料（氢的同位素氘和氚）的塑料靶丸，靶丸的塑料外壳在短时间内受热极具向外膨胀，在惯性的作用下包裹在内部的聚变燃料就被不断压缩至千倍固体密度的高密度，从而达到实现聚变点火的高温高密度条件。而，磁约束聚变往往无法提供像惯性约束聚变这样的高密度条件，因此他们需要更长的约束时间，为了避免这时的高温聚变燃料等离子体与周围材料接触，所以需要利用磁场来对将这些燃料束缚在一定的空间范围内。

封面新闻：NIF拥有192路激光器，这是一个什么概念？打一次的功率峰值可以达到多少，消耗的能量从何而来，前期是否需要蓄能？打一次的时间是多少？

胡智民：NIF拥有一个长度和宽度都达到几百米的大型激光器，足足有三个足球场大，可以说是目前世界上最大的激光器。NIF的192路激光，需要经过上千米长的光路后，以50皮秒的同步精度和30微米的定位精度，同时注入一个厘米尺度的金属柱形腔靶内部，相当于从成都同时打出192个高尔夫球，准确无误的落到朝天门码头。

NIF激光器的峰值功率达到500太瓦 (1012瓦)，相当于全球电网功率之和的50倍。目前是通过提前一分钟时间的储蓄能量，在亿分之一秒内全部释放的方式来实现的。

这对激光器的能量放大器件等形成了巨大的工程挑战。为了实现这眨眼都不及的高功率激光，发次之间需要充分的时间对这些功率器件进行冷却，通常需要间隔几个小时来完成。

如何看待“净增益”

封面新闻：这次激光点火，实现了净增益，如何理解净益？实现这个净增益，科学家经过了多少年的奋斗实践？

胡智民：这个净增益指的是这次激光点火输出的聚变能量是大于输入的激光能量的，但这个输出的聚变能量与总共点火消耗的能量相比还是很小的。

NIF的点火成功可以说是将近60年的努力，是好几代科学家不懈追求的结果。

封面新闻：有人比喻，这次激光点火产生的能量，只够把一壶水烧开，是这样的么？

胡智民：这么说也没有错，打另外一个比方，这个能量也就相当于1.6升可乐的热量。但是就这次点火而言，它最大的意义并不是产生了多少能量，而是这个产生的能量实现了净增益。

封面新闻：那么如何看待这次点火实现净增益的意义？

胡智民：真正的“从0到1”的科学突破，人类工程史、科学史上的重大突破，是聚变能源研究从实验室走向普罗大众的第一步，是人类文明的一大步，为人类文明的未来发展带来无限的想象空间。解决了可持续的能源供给，人类文明会迎来一个黄金时代。解决了可持续的能源供给，或许人类再也不会因为争夺能源而发动战争了，真的是功德无量！

从成果到商用还有多大距离？

封面新闻：那么如果要把这个能量扩大到商用发电，科学家还需要做什么样的努力，每秒钟点火需要多少次？这个过程还需要多少年？

胡智民：到商用发电，还有很多工作需要做，目前实现的是激光能到聚变能的增益大于1,也就是说2.05兆焦的激光能量输入获得了3.15兆焦的聚变能输出。然而，产生激光需要电能，目前的工程技术获得2.05兆焦的激光能量需要大约300兆焦的电能，如果还是利用目前的路线可能还需要增益再提升100倍。

有人估算用目前的技术路线，可能需要每秒多次的聚变点火，但是这些似乎都不是问题，科学问题已经解决，剩下的大部分是工程问题了。

实现增益大于1是捅破了窗户纸的重要一步，是0到1的突破，正如美国能源部的发布会上说的，随着社会资本的进入而带来的更大规模的资金投入，从1到100就不是那么困难了，如果像美国人说的那么乐观的话就是在10年左右，但是我觉得在本世纪中叶能利用上这个能源或许不是梦！

封面新闻：如果未来能够实现激光点火，是不是意味着大量的电站可以关闭了？核聚变产生的能量是一种什么样的清洁能源，会不会有辐射？

胡智民：这样的说法，我觉得还是很大胆的，人类在此时此刻已经实现激光聚变点火，到商用还有很长的路要走，传统的电站在很长一段时间不可能被替代。利用核聚变能，应该说是给人类文明的发展提供更多想象的空间，让能源的来源有了一个更好的选择。说核聚变能是清洁的能源，是因为相对于火电站的碳排放、裂变电站的核废料处理等棘手的问题，它的产物是阿尔法粒子和中子，我们可以利用聚变产物中子的能量来发电，所以它是相对清洁的能源。聚变所需要的氢同位素我们又可以从海水中提取，可以说是无穷无尽的资源。它必将是一种人类可以持续利用的清洁能源。聚变产物中子是一种辐射，但是这是我们可以驾驭并且利用的，不会对环境有影响。

封面新闻：有一个小小的冷知识，想请您解读一下，有网友举例，光速拍手能够手动产生聚变，是这样么？

胡智民：也许是这样的，聚变反应的量子隧穿效应告诉我们，在普通的情况下发生聚变反应的几率是很小的，但是不能否认它的存在。或许获得聚变并不是难事，但是实现聚变点火就不容易了。实际上在规模较小的实验室或者实验装置上都可以观测到聚变反应，比如在四川大学原子核科学技术研究所的加速器上就可以通过聚变反应来产生中子，并用来开展实验研究，但是实现聚变点火就不那么容易了。

封面新闻：最后一个问题，你怎么看待“巨大、重要的科学成就，往往需要更长的时间、更多的努力才能实现”这句话？

胡智民：是这样的，从1964年“两弹元勋”王淦昌院士提出利用大能量的激光产生中子的建议，到如今美国人率先在实验室实现了聚变点火，已经接近一个甲子了，应该说是聚集了人类最顶尖的智慧才实现的。

“实验室的一小步，人类文明的一大步”！ 科学发现是有它的规律的，只有长期的积累并且锲而不舍才能到达成功的彼岸。

【如果您有新闻线索，欢迎向我们报料，一经采纳有费用酬谢。报料微信关注：ihxdsb，报料QQ：3386405712】