人類盜火時刻：可控核融合首次輸出超過輸入，核融合發電時代來臨

科技日新月異、創新與顛覆節奏越來越快的今天，或許很難想像：某技術突破居然要超過半個世紀的時間。12 月 13 日美國政府宣布耗時整整 70 年才達成的「重大技術突破」。

12月5日美國科學家完成歷史首次達科學能量平衡的可控核融合實驗。團隊使用高能量雷射光束射向燃料倉，點燃高壓保存的燃料球。雷射能量高達2.05兆焦耳，核融合產生約3.15兆焦耳能量。這代表人類可控核融合實驗首次超出融合閾值，達成大於1的能量增益（表示核融合產生能量比驅動雷射能量更多）。

▲ 實驗地點NIF目標室。（Source：LLNL）

更重要的是，這次實驗首次證明慣性局限融合為核融合兩大主流方案（另一個是磁局限融合，即托卡馬克裝置）之一的根本科學基礎。

所以這次實驗成功可理解為慣性局限融合的「從0到1」。從此之後，更多公私部門資金、研究力量，可更大膽進入慣性局限融合研究投資，追求加速克服更多難關，短短20甚至10年內，實現慣性局限融合規模化。

美國能源部長Jennifer Granholm指出，這次實驗成功是核融合研究、核技術、能源史都極為重要的里程碑事件。

實驗所屬勞倫斯利佛摩國家實驗室主任Kim Budil博士表示：「在實驗室實現融合點火，是人類有史以來最重要科學挑戰。這次能達成，是科學工程的全人類勝利。」對實驗成功，Budil博士對高能量雷射光束的地位幽默評價：「就像大家知道的，實驗室簡稱LLNL，其實是『Lasers, Lasers, Nothing but Lasers』之意。」

▲ LLNL主任Dr. Kim Budil。（Source：LLNL）

白宮首席科學顧問Arati Prabhakar博士感慨萬千：「我19歲時就在實驗室實習，當時他們給我一枝『雷射筆』玩，那個夏天我過得非常充實。後來我離開去做其他不值一提的工作。但同事及後輩和後輩的後輩從未停止嘗試……他們取得傲人成績，也歷經無數難以置信的挑戰和痛苦──今天我們頭髮都白了，但他們也從未放棄，直到上週……我相信這是關於『堅持』的最佳例證。」

▲ 白宮首席科學顧問Arati Prabhakar博士。（Source：影片截圖）

現在就來了解一下，意義無比重大的可控核融合實驗長達60年的追逐，到底是怎麼回事。

發生什麼事？

12月5日矽谷利弗莫爾（Livermore, CA）美國勞倫斯利佛摩國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（NIF），進行以雷射觸發的慣性局限融合（ICF）點火實驗。為了融合點火，科學家使用總計192束高能量雷射光束，射向裝有氘─氚燃料球的環空器。環空器（hohlhraum）是圓筒形器皿，頭尾兩端開孔，內壁塗有黃金等特殊塗層。

▲ 環空器。（Source：LLNL）

下圖美國核安全局副局長Marvin Adams展示實驗用環空器（同款），環空器其實並非他手中的「玻璃杯」，而是裡面另一個小筒，大概只有指節大小：

▲ Marvin Adams展示實驗用環空器。（Source：影片截圖）

科學家將燃料球裝在環空器內並加壓，從環空器兩端孔洞射入雷射，腔壁特殊塗層加熱到約300萬°C，輻射出強烈的X射線。

▲ 環空器內原理。（Source：LLNL）

燃料球外層被X光輻射產生爆裂，反作用力會以震波形式繼續向內部傳播，使內部氘─氚元素形成高壓高溫，產生自發性燃燒，導致內爆（能量和物質快速對稱向內聚合），並連鎖觸發融合反應。

至於為什麼用雷射照射內壁，而非直接轟擊燃料球：前者產生的X光可更均勻覆蓋燃料球表面，讓表層爆裂時間一致，融合反應效率更高。效率越高，離正能量增益（大於1的能量增益）就越近。以上就是高能量慣性局限融合的基本過程。

但過程時間極短，只約幾十甚至上百萬分之一秒。尺寸也很小，畢竟燃料球只有「花椒粒」那麼大。但這極短時間，環空器內其實模擬出一顆微小恆星。

▲ 燃料球和環空器。（Source：LLNL）

為什麼重要？

這NIF並非第一次實驗。過去進行過「無數次」可控核融合實驗。然而本次實驗重要性在「融合產生的能量，比觸發融合消耗的科學能量更高」，也就是說，用這方法產生能源，值得！

實驗總計用約300兆焦耳電能，聚焦高能量雷射光束輸出達2.05兆焦耳，透過科學觀測的實驗結果顯示，瞬間融合產生的能量達3.15兆焦耳。產生能量除以雷射輸出能量，結果大於1，這種情況科學上稱為「科學能源盈虧平衡」（scientific energy breakeven）。

過去無論NIF / LLNL還是歐洲公立研究機構，以及世界各國各種私人研究機構，所有可控核融合實驗都未達到盈虧平衡──說白了就是「為了發電，反而使用更多電力」。美國知名科普作者、天體物理學家Neil deGrasse Tyson 表示：

獲得的能量比投入更多──我們終於看到這一天。

正如前面提到，核融合是讓氘─氚在高溫高壓環境出現融合反應，過程釋放氦，副產品則是以中子形態存在的天量能量。太陽就是氫核融合恆星。人類對這產生能量的研究持續百年，甚至經歷核爆，早就掌握融合原子使其融合的技術。然而問題是，人類一直無法控制核融合反應。

核融合研究從1950年代就開始，但進展一直非常緩慢（以至於隨便一點小成績都值得大書特書）。最大挑戰是高溫問題難解決。科學家需在實驗室創造像太陽的極高溫高壓環境，才能讓燃料加熱到離子化產生融合。然而一般容器無法承載如此高溫，需要「局限」容器和反應，放置離子溢出容器。故科學家逐漸演化出兩種方案：磁局限融合和慣性局限融合。本次NIF實驗屬於後者。

▲ 環空器受雷射「加熱」圖示。（Source：LLNL）

除了核融合可控性，能量盈虧平衡又是另一難題。NIF實驗員對雷射照射反應邏輯和環空器設計，都是為了提高核融合反應效率，讓燃料球「內爆」再快一點。為什麼要提高效率？如果效率超過某閾值，就會出現極特殊情況：產生能量超過輸入能量，也即達到大於1的能量增益（正能量增益）。

這過去難以實現，科學家花了整整70年，距離目標卻還是非常遠：如2013年10月15日，NIF某次前序測試才勉強達到0.0078能量增益，比正能量增益1/125還不如。

10年後，NIF終於跨過正能量增益這里程碑：不到10奈秒（1秒=10億奈秒），整個燃料球完成核融合反應，並達成超過1能量增益──這當然是非常令人興奮的事。

「這注定成為21世紀最令人印象深刻的科學壯舉。」美國能源部長Granholm表示。

▲ 美國能源部長Granholm。（Source：影片截圖）

什麼時候商業化？核融合發電站？

外界主要看的是能量產出3.15兆焦耳和能量輸入2.05兆焦耳兩個數字的對比，但不代表前面300兆焦耳的「插座用電」就不重要。可理解成這樣：為了讓「雷射筆」啟動，需要把它插到插座上，儘管「雷射筆」照射目標只用2度電，電表卻告訴我們實際電網流量是300度。

科學上應聚焦正能量增益這決定性事實，但實際應用，從商業化角度，當然也要關注300兆焦耳──百倍耗電問題。LLNL主任Budil博士回應：計算預測顯示，可透過規模化和合理安排雷射裝置達成百倍增收，也即獲得數百兆焦耳能量。研究團隊有個理論路徑實現那種未來，但距離還非常非常遠。

「（即便考慮今天的成就）我們仍有非常巨大的難題沒有解決。這些問題不只科學面，還有技術面。」Budil 博士指出，「我們只是成功點火燃料倉，就這麼一次。」想可控核融合技術商業化，還有很多問題要解決，比如如何把單次融合變成多次可持續核融合，科學家仍需找出許多要素。

「距離那未來可能還要數十年。」Budil表示，「但我想應該不是60年，也不是50年……只要有各部門各界各行業通力合作，研發底層技術，可控核融合發電站落成，有生之年也許可以看到。」

能源部長Granholm表示，拜登政府能源政策和施政綱領的確有提及可控核融合核電站研究，但尚無新進展可分享。毫無疑問，清潔、安全、先進的核融合發電是非常有價值的方向，不過遠未達可行性研究的階段。

不過Granholm也強調，可控核融合發電，美國政府非常需要且歡迎民間資本介入：「研究前期，美國財政支持對取得今天成績尤其關鍵，但之後要走的路需要公共研究和民間研究齊頭並進。我們非常支持對這領域感興趣的民間資本，如投資群體和創業公司，和我們一起努力（幾）十年內打造出可運作的可控核融合發電站。」

雖然能源部長很樂觀，需說明的是：今天NIF研究人員剛取得高於1倍的能源效益。核融合發電站典型設計，磁局限融合方案能源效益至少要30倍，慣性局限融合方案至少70倍；常規的裂變式核電站能源效益更高，以美國為例，全國只有54座核電站、92枚反應爐，卻供應全國近五分之一電力。

未來的路的確很長。

為什麼5日試驗成功，13日才公布？

公布前一週，NIF所有成員都非常辛苦檢查實驗數據、驗證結果。

「你們會發現，當點燃小燃料倉，發生一件很小又很大的事……但相關實驗數據卻不『小』，我們所有團隊、所有熟悉業務和數據的成員都需要來檢查和驗證。」Budil博士表示，不僅內部人員參與，得到令人驚訝的結果之後，還必須找外部專家團隊獨立驗證。

正是這些極其繁瑣、細節、相互獨立的數據驗證工作，才能讓科學家確認完成長達70年都沒有實現的關鍵使命，終於讓一代又一代物理學家、化學家、計算機科學家前仆後繼的「奇蹟」發生。

「告訴大家發生什麼事很重要，把事實和證據給大家看更重要。」

對磁局限融合有何意義？

Budil博士指出，核融合兩種主要方案，磁局限融合和慣性局限融合在數據分析檢測有些共同點，但技術原理和實驗方式還是有本質區別。

磁局限融合主要是低壓低溫持續環境，慣性局限融合是高能高壓高溫瞬間環境──持續和瞬間差別其實不大，無非幾百奈秒和幾奈秒的差異。兩種方案研究對未來人類實現可控核融合發電都有關鍵意義。

不過磁局限融合方案研究時間更長，研究力量更多元（國家、公私），磁局限融合核電站概念開發進度更「遠」，距離實現可能更近。

「雷射，雷射，全都是雷射」

對於家住南灣／東灣的人來說，對Livermore的印象可能就是奧特萊斯。其實美國最重要的大型公立研究實驗室──勞倫斯利佛摩國家實驗室也坐落這裡。勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）落成於1952年，是美國冷戰產物，為了打造最先進核武、推動核科學和技術研究和應用而建。

不過到了今天，這實驗室已發展出多元化研究方向，包括軍武和複雜融合、網路安全、物理、生物安全、反恐、超級運算等。美國西海岸最大超算集群就坐落於LLNL。在超算歷史占有一席之地的IBM紅杉超級電腦，因屬美國國家核安全局高級仿真和計算機化，也受LLNL實驗室管理。

承擔本次實驗的「國家點火裝置」（NIF）和光粒子科學部門，正是整個LLNL最重要和歷史最悠久的部門，沒有之一。