2022年12月13日,美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆宣布,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员利用“国家点火装置”(NIF)总能量为2.05兆焦耳的192路激光束,球对称聚焦在微型氘氚燃料靶丸上,产生了3.15兆焦耳的核聚变能量输出。据介绍,该成果跨越了聚变点火阈值,历史性地实现了净能量增益(G>1.5)。与此同时,实验的成功也证实了惯性聚变能源的科学基础。
此项成果将给能源变革及可控核聚变技术路线等带来怎样的影响?近日,针对相关问题,《中国科学报》专访了中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员张杰。
作为激光等离子体物理学家,过去3年里,张杰带领一个由中科院内外15个单位的研究人员组成的联合研究团队,利用中科院上海光学精密机械研究所神光II升级大型强激光实验研究平台,对新型激光核聚变方案开展了8轮大型联合实验研究。在他看来,美国NIF团队取得的新成果从科学原理和工程技术上验证了激光核聚变反应实现净能量增益的可行性,是人类迈向聚变能时代的一个重要里程碑。
无论是惯性约束核聚变还是磁约束核聚变,在跨过“点火”目标的门槛之后,作为未来能源应用的共同目标依然是实现核聚变输出能量达到输入能量的10倍、30倍、100倍增益,获得近乎取之不尽、用之不竭的清洁能源。
在磁约束核聚变方面,早在上世纪70年代,中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所就开始了核聚变相关研究,并于上世纪90年代启动磁约束核聚变能技术——超导托卡马克的研究。2006年,被誉为“人造太阳”的东方超环正式建成,成为我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置。同年,以中科院为主导的中国团队加入ITER,成为全球探索“人造太阳”新能源队伍中的重要一员。
在惯性约束核聚变研究方面,上世纪60年代,我国科研人员就在王淦昌先生的倡议下在中科院上海光学精密机械研究所开启了激光惯性约束核聚变研究。上世纪80年代,该所开启了大型综合性激光装置——“神光”的预研工作。该装置于1986年建成,被称为“神光I”。2000年和2015年,我国又先后建成神光II激光装置和神光III主机激光装置并投入使用。
2020年,中科院启动了新型激光聚变方案的先导专项研究,采用与美国完全不同的激光聚变方案,希望大幅度提高激光聚变点火的能量转换效率。目前相关理论与实验研究正在进行中。