位於(yu) 美國加州的勞倫(lun) 斯·利弗莫爾國家實驗室。資料圖片

　　新聞背景

　　日前有消息稱，美國加利福尼亞(ya) 州北部勞倫(lun) 斯·利弗莫爾國家實驗室的激光聚變裝置—“國家點火裝置”(NIF)在最近的一次試驗中，核聚變反應產(chan) 生的能量首次超過了燃料吸收的能量。這既是重要的科研進展，也預示人類向著獲得“永久的清潔能源”的理想又前進了一大步。

　　所有激光束進入這個(ge) 轉筆刀大小的圓柱體(ti) 金屬艙內(nei) 部時，它們(men) 將產(chan) 生強烈的X光線。這些X光線不僅(jin) 僅(jin) 可以把豌豆大小的氫燃料球壓縮成一個(ge) 直徑隻有人類頭發絲(si) 截麵直徑大小的小點，它還能夠將其加熱到大約300萬(wan) 攝氏度的高溫。盡管激光的爆發隻能持續大約十億(yi) 分之一秒，但物理學家們(men) 仍然希望這種強烈的脈衝(chong) 可以迫使氫原子相互結合形成氦，同時釋放出足夠的能量以激活周圍其他氫原子的聚變，直到燃料用盡為(wei) 止。

　　隨著人類社會(hui) 生產(chan) 與(yu) 生活對能源的需求不斷增加，化石燃料開采量越來越大，資源枯竭問題越來越突出。現實要求我們(men) 必須盡快尋求其他方法，大量生產(chan) 安全、可靠、無汙染、清潔環保的可持續能源，以滿足未來人類社會(hui) 發展的長期需要。

　　對核聚變能的研究之所以一直受到科學家的普遍重視，是因為(wei) 以這種方式獲得的能源，所用的燃料（例如氫元素中的兩(liang) 個(ge) 同位素氘和氚）就存在於(yu) 海水中，永不枯竭；它不排放二氧化碳，不會(hui) 對地球大氣產(chan) 生溫室效應，不需處理那些傷(shang) 害人類居住環境的、具有非常長半衰期的強放射性核廢料，不會(hui) 發生鈾基核裂變電站堆芯熔融的核事故！

　　盡管有這麽(me) 多誘人的好處，但長期以來核聚變能被各大國政府所持的能源政策所忽視，其理由是，核聚變能的研究離實用還很遙遠，技術“太不成熟”了。

　　實現核聚變

　　需超高溫、超高壓兩(liang) 個(ge) 條件

　　眾(zhong) 所周知，核聚變能是宇宙中恒星（例如太陽）的動力來源。而太陽深部之所以能產(chan) 生熱核聚變反應，是因為(wei) 太陽內(nei) 部有極高的溫度；太陽深部物質等離子體(ti) 遭遇來自太陽中心的、天然存在的巨大重力壓力。這意味著太陽深部物質等離子體(ti) 的密度極大。

　　人類想要在地球上成功模擬太陽內(nei) 部不斷發生的熱核聚變過程而獲得巨大能量，就必須為(wei) 能產(chan) 生聚變的物質等離子體(ti) 創造兩(liang) 個(ge) 必要條件，即：極高的溫度和極大的壓力（即極大的密度）。這也是氫彈成功爆炸的必要條件。

　　從(cong) 物理學基本知識可知，溫度越高，物質粒子運動的動能就越大，運動越激烈。按照科學家的理論估算，等離子體(ti) 內(nei) 離子的動能必須大於(yu) 10～20千電子伏，核聚變才可能發生。這就是說，等離子體(ti) 的溫度至少要高於(yu) 1.1億(yi) 攝氏度。

　　等離子體(ti) 是物質的第四態，壓力、溫度、體(ti) 積三者的相互關(guan) 係也具有與(yu) 氣體(ti) 相似的性質，被稱為(wei) “類氣體(ti) ”。如果大大增加壓力，等離子體(ti) 的體(ti) 積就會(hui) 被壓縮，這意味著在它內(nei) 部的粒子相互碰撞的機會(hui) 大大增加。對於(yu) 氘-氚核聚變反應來說，科學家推算，等離子體(ti) 密度要大於(yu) 200～1000 克/立方厘米，大致相當於(yu) 固態鉛密度的100倍。要做到這一點顯然極其艱難，因為(wei) 等離子體(ti) 中的氘核和氚核都帶正電荷，自然產(chan) 生靜電斥力，而且極高的溫度使等離子體(ti) 內(nei) 粒子的運動更劇烈，所以，要和離子間的斥力抗爭(zheng) ，科學家必須引入極為(wei) 強大的壓力（至少相當於(yu) 地球表麵大氣壓的1000億(yi) 倍）施與(yu) 高溫等離子體(ti) 。

　　如果上述兩(liang) 個(ge) 條件都能滿足，兩(liang) 個(ge) 氫元素的原子核就能靠近得足以聚合成為(wei) 新的元素，引發聚變反應，釋放出巨大的能量。然後，人類還應能夠駕馭它，使這一聚變反應按照我們(men) 的需要來持續釋放能量，為(wei) 人類使用。

　　激光“點火”

　　實現可控核聚變途徑之一

　　迄今為(wei) 止有兩(liang) 種方案可能實現人工駕馭的核聚變。第一種是“磁約束核聚變”。磁約束的難點在於(yu) 受強大磁場約束的等離子體(ti) 依然不易被約束，它們(men) 很易逃逸（泄漏）或常常變得不穩定。有我國參與(yu) 、七國聯合建設的國際熱核聚變實驗堆（ITER）的科學家們(men) 正在加緊研究解決(jue) 之道，為(wei) 最終實現磁約束可控核聚變而努力。

　　第二種稱作“慣性約束核聚變”，那是瞬間將一個(ge) 含有聚變物質氘和氚的微型燃料靶丸加熱至超高溫度，並同時對它施以極大壓力，將靶丸物質高度壓縮而導致“點火”引發核聚變的過程。

　　“慣性約束核聚變”可以通過下麵的具體(ti) 例子來說明。科學家設想製造一個(ge) 中空的、直徑約為(wei) 2毫米左右的微型塑膠小球丸，其內(nei) 封有適當比例的、能引發核聚變的氘（也稱“重氫”）和氚（也稱“超重氫”）混合反應物約150微克。當它在二百億(yi) 分之一秒的極短的時間內(nei) 被加熱至超過1.1億(yi) 攝氏度的極高溫度時，小球丸表層物質原子的外層電子就會(hui) 迅速被剝離，帶正電荷的原子核因排斥力而飛離小球丸，它們(men) 高速飛離的同時又對小球丸中心產(chan) 生強大的反作用力，其所形成的“衝(chong) 擊波”會(hui) 從(cong) 各方對著小球中心產(chan) 生極大的壓力，形成足夠強大的慣性約束，使得小球丸內(nei) 各原子核在同一瞬間達到極高密度水平，這時各原子核之間就能克服本來的靜電斥力而聚合在一起，從(cong) 而導致核聚變反應的產(chan) 生。#p#分頁標題#e#

　　用高能離子束、或者用X光束照射，都可以用於(yu) 加熱並壓縮小球丸。自從(cong) 上世紀60年代激光器問世以來，科學家已經知道激光束具有高能量密度的特性，強激光脈衝(chong) 可以電離氣體(ti) 中的原子，使電子與(yu) 原子核分開，產(chan) 生等離子體(ti) 。早年的勞倫(lun) 斯·利弗莫爾國家實驗室的科學家於(yu) 是開始考慮用收斂的高功率脈衝(chong) 激光束在實驗室裏點燃核聚變，引發“微爆”，並為(wei) 此做了很多前期的研究。

　　利弗莫爾實驗室建設世界上最強大的激光器研究核聚變的計劃，得到美國能源部及其屬下的國家核安全局的支持。憑借著能源部超過35.4億(yi) 美元的巨大前期投資，這個(ge) 世界最大的激光器於(yu) 1997年開始建設。雖然期間遇到諸多周折，但到2009年終於(yu) 建成。整個(ge) NIF項目占地麵積16 000多平方米，差不多有三個(ge) 足球場那麽(me) 大。這使利弗莫爾實驗室一舉(ju) 成為(wei) 擁有世界上最先進、最強大的激光係統，最有條件進行激光受控熱核聚變探索性研究的實驗室。2012年7月的實驗中，192支高能激光器構成陣列發射的紫外激光脈衝(chong) 雖然隻維持了10億(yi) 分之23秒，但產(chan) 生的峰值功率達到500萬(wan) 億(yi) 瓦，相當於(yu) 美國在任何給定時間內(nei) 全國耗電總功率的1000倍。

　　激光約束核聚變

　　商業(ye) 化運行要克服諸多困難

　　眼下，美國國家點火裝置(NIF)的巨大投入已經收獲了兩(liang) 大具有裏程碑意義(yi) 的目標。第一個(ge) 目標是，它向世人展示，人類完全有能力使用強大脈衝(chong) 激光“點火”，實現人工的熱核聚變。第二個(ge) 目標是實現了能量增益，就是說，核聚變反應產(chan) 生的能量首次超過了燃料吸收的能量。

　　不過，要達到建設多個(ge) 受控核聚變反應堆、最終用其建成數百萬(wan) 千瓦級核聚變發電站的目標，還有很多工作要做。

　　例如，成功點火之後如何清理聚變產(chan) 物，不是成功地點幾次火而是有規律地不斷（即高重複頻率）“點火”、“清理”，實現“自持”的鏈式核聚變反應等，科學家還需探索；

　　此外，激光技術特別是半導體(ti) 二極管泵浦固體(ti) 激光器、大功率半導體(ti) 激光技術的不斷進步，對慣性約束核聚變研究的作用十分重要，隨之帶來的大尺寸非線性光學（倍頻）晶體(ti) （注：它是一種比金子還要貴重的人工晶體(ti) ）、超大功率激光器件等不斷更新，將可能促進“點火”方案的更新；

　　還有，聚變產(chan) 物有中子釋放出來，它的強穿透能力以及對生物、人體(ti) 的傷(shang) 害不可忽視。燃料中的氚也具有放射性，它釋放出β粒子，其半衰期為(wei) 12.5年，也要認真注意屏蔽。如何既經濟又安全地獲得並濃縮氚燃料，也是需要進一步探索的。

　　專(zhuan) 家普遍認為(wei) ，在現有的成就基礎上再有幾十年的努力，一整套商業(ye) 上可運行的、成熟的激光慣性約束受控核聚變百萬(wan) 千瓦級發電廠，將很有可能在本世紀中葉出現。