核聚变能否终极解决能源问题? | 海上有光
导读
能源,是人类的永恒话题,古往今来,人类追寻能源的脚步从未停止过。当科学家们的目光投向宇宙,发现太阳以及其他恒星通过内部核聚变产生源源不断的能量,从那时起,人类开始探索可控核聚变的研究,希望能找到更高能量效率和更环保的能源方式。
中国科学院上海光学精密机械研究所朱健强研究员、上海师范大学沈百飞教授,并由北京大学张志刚教授担任主持人,与中国激光杂志社英文部部长丁洁聚焦点火、原理、安全三问激光核聚变(核聚变三问:激光能否实现核聚变? | 海上有光)。
今天,“海上有光”将继续围绕激光核聚变展开讨论:核聚变是解决人类能源的终极办法吗?在实验室里的核聚变如何实现商业化?我国激光聚变发展情况如何?
以下为文字实录(根据访谈内容有所删减):
激光聚变的目标是什么?
张志刚:第一步,我先给它点着了。
朱健强:然后真的要去做点火发电电站的样机,我觉得这是一个发展趋势。
张志刚:所以还得做激光是吧?
朱健强:还得做。60年的梦想实现了那么一点点,人类的终极梦想,我们还尚需努力。
现在我们中国到了这个阶段,下一步怎么发展,怎么样才能做得更好?美国人点火并不意味着这个事情就到此为止了,最终目标是要应用。
我觉得后续值得大家关注的事情:第一个,美国人的方式是不是最简单、最好,我们有什么更好的方法?这只是证明了点火方式的存在,但是哪一种方式更好,大家都要关注。第二个,为了商业应用,我们还要发展哪些技术?这里面有一个非常有兴趣的事儿,前任美国利弗莫尔国家实验室的主任,离任以后,到一家聚变能源公司当CEO去了。
张志刚:所以他提前布局了。
朱健强:我觉得一定要关注未来聚变能源的发展和应用,因为这里面的技术难度和挑战是一个全新的体系,它不是一个激光聚变单一的现象。将来,换能器怎么做,激光器怎么做?有一堆的科学技术问题。
沈百飞:朱老师说得很对,其实激光聚变最早的目标,还是不管是美国的NIF,或者说国内,其实并不是做能源,应该说是完全为了做核爆的模拟。那么从这种角度来说,现在美国NIF已经有几个兆焦的聚变放能,它产生了非常极端的物理状态,已经对核爆模拟有了非常重大的贡献作用。
朱健强:因为NIF花了很多经费,经费都是来自于美国能源部的。
沈百飞:从长远的角度来说,我们是希望发电,从这一角度而言,我们希望朱老师的激光器做得非常好。当然,我是从我个人的角度来说,即便发电,一方面可能确实还是非常遥远的事情;另外一方面,即使技术上可行,比如说输出能量远大于输入能量,但是它也不见得便宜,我们肯定还是选择几毛钱一度电的。
张志刚:所以您这么说,我还是挺失望的是吧?
朱健强:不用失望,我们今天讨论的是在太阳系内的事情。如果离开太阳系,这个核能还是很重要。
张志刚:那就要“流浪地球”了。
朱健强:我们畅想的未来要遥远一点。我那天看到我们发射了几十年的一个航天探测器,接收到信号了。我觉得将来人类的探索是无止境,这种动力系统最好是能追求一个长期可靠稳定的。核动力是一种周游太空的动力。
张志刚:对,但是你这核动力它也不是热核反应。
朱健强:这是在地球上太阳系体系里面讨论,人要冲出太阳系,一定要有新的能源方式。而且纵观能源发展,从原来的钻木取火,到后来的化石能源,到后来的电能,再后来包括核能,人类的发展,也是能源发展进步的过程。实际上现在是一种混合能源,什么能源都有,我觉得将来也是这个状态,因为毕竟商业上来讲,追求的是性价比,但是在有些极限的条件下,还是有各种的用处。
所以我相信,全球对核能、激光核聚变的能源需求,一定是一个非常重要的方向。
张志刚:是可以支持吗?
朱健强:EX-Fusion(日本激光聚变发电初创公司)网站上三大使命,一个是国家战略安全,第二个是前沿研究,第三个是能源。这三个主题,一个是近期的,当然最后一个是能源。不管大家怎么看,公众有不同的看法,但确实,聚变能源是科学家追求的梦想。
沈百飞:朱老师说得很对,虽然聚变能是非常困难的,但是这绝对是人类要持续追求的一个梦想。人类早晚要离开太阳系,进行星际旅行,当你离开太阳系的时候,光伏能源都没有用,因为太阳光都没有。我们需要一个能量密度非常高的,一个相当于所谓“储能”的物质。聚变的氘、氚,在一定的质量下可以发出特别高的能量,所以作为储能非常好。同时在星际中,从宇宙射线中就可以轻松地捕获到这些氢的同位素——氘和氚,这些材料都可以不用带着,一边走一边捕获。
我国激光聚变发展情况如何?
张志刚:“神光”装置是什么时候弄的,真正用来做什么?
沈百飞:神光装置建成的比较早。
张志刚:但您说的大装置?
沈百飞:大装置就是真正像NIF这样大规模的装置,其实当时我们国家一直想做这个事情,但是我觉得一直很难下这样一个决心。
朱健强:我可以围绕神光装置给大家介绍这方面的情况。它涉及到方方面面,一个是大科学。“神光”是谁提的?是张爱萍提的。于敏、王淦昌以及王大珩先生,他们三位当初向上海建议要开展激光聚变研究,这个原因有**安全,有前沿科学,还有一点点能源的这种展望。这个装置怎么建?当初中国科学院有一定的基础,在20世纪60年代到80年代,做了很好的激光聚变研究基础。中国工程物理研究院因为王淦昌先生提出了激光聚变的概念,同时大家也隐隐约约知道这个工作对国家的战略安全很重要,正是站在这个高度上,凝练出激光聚变的重大科学问题,然后在上海成立了联合实验室。为什么要得到国家的支持?因为为国家解决重大问题,国家一定支持。如果你做的事情,国家也不知道要解决啥问题,当然就很难得到支持。正因为我觉得在两院(中国科学院、中国工程物理研究院)和**科工委的领导下,提出了国家真正需要的前沿技术,所以国家就支持。
另外一个,体制问题。那个时候分属于两个部门,天天吵架。邓先生跟范院士也在讲,他说两院一坐那就开始吵架,九院出钱,科学院用,建装置,建完装置资产算谁的?所以两位王老先生就讲,你们别吵,这个资产都是国家的,平息了这么一个争论。在那个环境下,这件事体现了一个科学家对国家意志的责任。我觉得这一点现在特别值得弘扬,现在我们也正在把这一段故事,科研体制怎么推进、国家的真实实力写出来,让大家来看一看。我觉得现在这个时候,在新时期,科研条件这么好,获得的支持这么多,我们一定要想清楚,怎么能去解决国家的大问题或者解决人类的大问题。这个问题拿出来,我觉得谁都会支持,而且会持续的支持。
张志刚:我们要对得起历史。
朱健强:当初激光聚变花样很多,各种各样的方案都有,但是我们选的方案是玻璃型的激光器。因为储能方式、能量提取等等,到现在来看,是非常正确的。范院士讲了一个基本的道理:要对物理的机理充分地认知,从底层问题出发,我们认知问题一般从表象开始触及,能否回到根本问题上,从根本问题上再提出新的解决方案,这种方案往往是比较可靠的,如果从线上到线下,大家就表面地去谈,很多工作做得不深。
所以现在天天讲创新,我一直开玩笑说:我们已经践行了这些创新的事儿,就没讲创新,我们是做,不是说。
张志刚:对,现在有很多研究院的名字,比如什么创新研究院,我说不是创新能叫研究院吗?可是为什么非得把这创新挂在嘴边上,是吧?我们上海光机所什么时候改成“上海光机创新研究院”?
您说的,咱们这边是神Ⅱ是吧,九院那边是神Ⅲ?
朱健强:对。美国点火成功以后,中国科学院这里面要做的工作更重要,要探索怎么样的点火方式更简单,围绕聚变能源做。
张志刚:美国是一百多路对吧?咱们这就只有十几路是吗?
朱健强:实际上不是十几路,也是几十路。这个装置做好了以后,仅次于美国的NIF装置。
刚才讲了探索不同的点火途径,激光聚变点火证明了可行性,但是将来围绕激光聚变能源的,物理上的高温高密度有很多方法来实现。我们在2018年开过一次会,在苏州开了一个全球(沈老师也在)的workshop,那时候点火还没成功,也挺困难。
我们借这个平台,邀请全球的科学家来谈一谈,展望点火,能量多少。当初很多科学家预言是3-5 MJ,现在来看,这个数也挺正确的,但是美国人的理论依据预估是1.8 MJ也没错。
张志刚:现在不是好几十吗?
朱健强:现在是2.3 MJ,因为这里面能量大,点火容易,能量小的话,从悬崖下面往上爬,是比较困难的。确实从当初的投资性价比来看,美国人受到了很大的约束,因为一个项目要国会批准,争论很多,花钱多了也有问题。
沈百飞:对,这里面也涉及到物理的判断问题。其实在20世纪60年代初,美国科学家提出中心点火方案的时候,预估的能量只要1000 J就可以实现。当然这一估计现在看来太过乐观,后来美国建的装置,刚才说差不多是两个兆焦量级,那比当初的1000 J大了两千倍,现在看来确实是能够成功的。
从长远来看,一旦真正地认识这一物理过程,以后可能也不一定需要那么大的能量,在充分认识物理过程以后,可以变成1 MJ甚至更低的能量,也是可以点火的,这取决于能量的利用问题;另外一个方面,其实也取决于做点火的目的是什么,就是说点火的早期目标,或者说到目前为止的主要目标,是为了核爆模拟,这也是我们国家建大装置做聚变的一个最主要的原因。
从另外一个角度来看,聚变能源的实现方案其实肯定不是间接驱动。间接驱动显然是不可能做聚变能源,这个是做核爆模拟的。这就需要用新的方案,比如其他的一些聚变的方案,所以像朱老师这边现在做的一个激光器,可能能量相对较小,但是有不同的构型,可能在能源的方面,有更好的一些想法。
朱健强:刚才沈老师讲的,也是我们2018年开会讨论的一个议题。美国人在NIF做的实验,还是围绕国家战略安全,它并不是真正地为能源在做。所以美国做激光聚变有两类观点,一个是做能源肯定用直接驱动,大家基本是共识的,而且美国人也持续地支持另外一个组在做这个工作。前一阵子,他们说也实现了直接驱动,实现了热斑点火。所以从这件事情来看,真正做未来的聚变能源,间接驱动可能不一定是做商业上的合适的一个选项,类似直接驱动可能是一个更理想的选择。
张志刚:您说的直接驱动是什么?
朱健强:激光直接打到靶丸上,并不是通过打到球壳上,再去产生X射线。
沈百飞:现在间接驱动的方法,就是激光先从一个壳壁上产生X光,为什么这么做?因为核**里是这样的一个过程,为了模拟这个过程。如果从能源的角度来说,就不需要考虑模拟的过程,怎么方便怎么产生能源。
张志刚:但是与**的区别,比如氢弹,是先爆炸一个原子弹,产生高温以后再点燃氢弹,现在我们这个能源是所谓的叫“受控核聚变”,受控体现在哪?是因为靶丸特别小吗?激光点着就能着,不点就不着,是这意思吗?
沈百飞:某种程度上可以这么理解,如果不受控,那就是一个氢弹,会把整个实验室都炸了!或者说,尽量要产生一个最小的氢弹。
张志刚:实际上就是一个氢弹。
沈百飞:对,最小的氢弹。这样的氢弹爆炸,在这样的能量下是可以不炸的。或者说,靶丸大小的设计,就是考虑了,假如说里边所有的能量都爆炸了,也不会把靶室炸掉,是这样来设计的。
张志刚:您刚才说的,实际上点火是用纳秒,不是用飞秒的?
沈百飞:有两种模式。传统的激光聚变,叫间接驱动,或者叫“中心点火”。中心点火其实只用纳秒激光,打到一个靶丸,它用反冲力将燃料压缩到中间点火;还有一种方法,叫“快点火”,加个“快”字。快点火的时候,除去用纳秒激光压缩以外,它还用另外一束光来做真正的点火,那么这个点火的激光,一般就用皮秒激光,它属于比较强的激光。所以我说我后来做的一些更强的激光,其实还是和聚变相关的,当然后来我也把有关的一些工作写成了书。
张志刚:最近又写了一本?
沈百飞:之前那本书是我翻译的,这个是我真正完成的工作,书名叫做《强场激光物理》,国际上目前还没有一本真正的、完善的、系统的总结,我很高兴把这么多年的工作总结出来写了一本书。
张志刚:我以前还真是不了解,原来您也对聚变物理非常有研究。
沈百飞:应该说物理的研究,更主要的肯定是我们国家的九院,也就是工程物理研究院,他们是专业地做这方面的工作。因为我在外围,不能涉及到一些核心的部分,所以更偏重物理一些。虽然我也会做很多的研究,但这些研究更偏重基础。
张志刚:听说您的名字还可以再解读一下?
沈百飞:这是我自己的一个解读,看我的微信备注就能看到:我的名字叫沈百飞,“百”是“百拍瓦”的“百”,“飞”是“飞秒”的“飞”,同时这样连起来的话,百拍瓦的飞秒激光,因为涉及的功率非常高了,或者说是我是做前沿技术研究,这是我最喜欢用的一个激光装置。
张志刚:可是您父母在给您起名的时候,绝对没有想到这个。沈老师真“神”了!
沈百飞:我相信我们只要努力了,总是会有收获的。
为实现聚变,科学家还在探索其他方案
张志刚:刚才朱老师说有不同的方案是吧?另外一个方案叫托卡马克,对不对?托卡马克也是如雷贯耳,新闻常报道中国的托卡马克遥遥领先,这个方案跟我们是不是竞争关系呢?
朱健强:我觉得不算竞争,大家是在并行发展,实际上公众可能对托卡马克了解得比较多,在地球上人造的装置,一个是激光聚变,一个是托卡马克。那为什么说公众知道的是托卡马克更多一些?因为它纯粹是为能源服务。激光聚变大家不太说、不多了解,因为它有一部分战略安全的需求。
张志刚:您这么说,我确实感到很失望,您好像说把这个激光聚变说成是能源的一个借口似的。
朱健强:不是的,应该说能源是一个长远目标。
张志刚:所以您的“长远”比托卡马克还要长是吗?
朱健强:不长,因为近期实现了点火,这是一个很大的成果。
张志刚:托卡马克还没有点火?
沈百飞:托卡马克确实有一个问题,它需要持续地燃烧,不像我们放了一个靶丸瞬态地点一下。托卡马克的点火条件,在温度上其实是和激光类似,大概几千电子伏特;但是它的等离子密度比较低,需要比较长的时间。这个大装置持续地燃烧,如果里边真的放上氘和氚的话,就会产生大量的中子,中子打到壁上,就会把腔壁活化了,活化以后,就相当于被污染了,就很难再进行维护,大概要用机器人。所以正是这样的原因,到目前为止,大多数的聚变托卡马克装置,它烧的都是纯粹的氢,没有真正用氘氚,没有中子,或者说它不太敢用氘氚在里面烧,所以说它目前为止是没有点火的。
张志刚:那您是说他们“忽悠”吗?
沈百飞:那倒不是,为了用氢,它在物理参数上可以保持。所以现在这个装置在燃烧时,会设定在多少的温度下,可以维持多少时间,物理过程基本上类似。当然它有一个物理过程是没有解决,叫“燃烧等离子体”。真正的聚变条件下是有氘氚反应产生温度,它是燃烧的。如果只用氢来做的话,它没有燃烧的这个过程,只有加热的这个过程。
张志刚:还是要打一下擂台,到底这两个方案,谁能够实现终极能源的目标?
沈百飞:从我的角度来看,其实都不容易,或者说聚变方案,还有所谓的磁惯性,还有Z箍缩装置,这些方案原则上都有可能做聚变能源。但是刚才我说的,其实聚变能源到最终,还是要评估到底它的安全性如何,技术上是否可靠,经济上到底是哪个方案更便宜,我觉得我们现在来评估这样的结论,有点为时过早。
激光聚变的经济账怎么算?
张志刚:说到打擂台这件事谁先实现,现在美国已经实现了有增益,我们在近期能够实现增益吗?
朱健强:中国科学院对这个项目很重视。张杰院士提出了一个新型的物理概念,结合我们实验室的装置,来做这方面的一个研究,我觉得主要体现中国科学院在这种科学体系下,有一个使命定位,要引导科学的发展。
张志刚:我不是问您中国科学院是怎么想的,我问您是怎么想的?
朱健强:我觉得中国将是第二个实现激光聚变点火的国家。
沈百飞:张老师,我也补充一下,其实公众可能关注这边是不是点火了,是不是能够实现能源了?做聚变点火实验,它的目的也并不是那么的单纯,就是能源和**。其实从基础物理的角度来说,它可以给我们认识自然提供很好的手段,比如说这种聚变产生高温高压的环境,和天体中很多过程非常类似,通过这种研究,我们也可以更好地了解宇宙、自然,也可以研究各种新材料,比如在高压下的材料物质的性质等等,对于这些研究也都是非常有意义的。
朱健强:沈老师讲得非常对,我们原来的用户(使用装置的用户)很单一,现在是各类用户都有,甚至有从事生命科学的,所以只要把一个平台创造好,很多机理问题,能创造很多研究对象,大家都很关注。现在我们基本上是一年,除了一个月的维修,其他时间都在使用。
张志刚:刚才您讲了很多外国政府,包括美国日本,在公众看来,好像是一听说美国那边政府投资了,然后咱们这边就投资;一说美国好像又停止了是吧?然后中国这边我们也停止了。现在又说美国有增益了,然后中国科学家马上就说政府得给我钱,他们能点火我们也能点,是不是?
朱健强:你刚才讲的是一个现象,随着国家经济实力的增强,每个领域发展不一样。但至少在激光聚变这个领域,我刚才讲到了,从60年前一直到现在,一直是国家持续支持。
张志刚:您认为是我们公众看得不对,是吧?
朱健强:公众看到的是一个局部的现象,但国家看到更重要的方面,只要重要,只要你做得好,能与国际接轨,甚至走到前列,我觉得国家还是很支持。
沈百飞:我是这么看,当年美国做激光内爆或者聚变实验的时候,他们早期在地下核爆的实验中做过类似的实验。也就是说,在核爆的时候,放一个小靶丸,然后用核爆产生的辐射照射靶丸,它是可以引爆的。虽然他们用激光做的过程非常曲折,但总体在物理机制上是有信心的。
对我们国家来说,早期的科研体系,比如说2000年以前,相对美国科研体系而言,确实是比较薄弱的,已有的研究也比较少。所以当时我们国家确实一直在坚持做聚变,但是不知道什么时候开始建点火这样的大装置,因为这个要花很多的钱。
张志刚:您在光机所也是有职务的是吧?也是研究员。
沈百飞:应该这么说,我们做研究本来就是一个合作研究,我觉得一个人不是说“挂”在哪一个地方,而是我们一群人怎么来一起做工作。比如说我现在虽然大多数时间可能在上海师范大学,但是我们的物理实验很多都是用上光所的大装置做的。因为我们知道,大装置是有限的,比如说我在用朱老师的神光装置做实验。
张志刚:您交钱吗?
朱健强:不交钱,中国科学院给了我们装置的运行经费,所以对国内用户几乎是不收费的。
张志刚:都是不交钱的是吧?还是挺公益的。
朱健强:因为国家给了支持。
沈百飞:我更需要光强,所以我更多地是用朱老师的皮秒光。
张志刚:用大装置倒不交钱。很多地方,比如我们学校里,用一下电子显微镜都要交钱的。
朱健强:你那是国家没有给投入。
张志刚:肯定是有的,很多都是重点实验室,维持费应该是需要的。可能只是这个实验室要钱。
沈百飞:研究所有些地方也是要钱的。比如说我除用朱老师的皮秒激光装置(神光装置)外,也用浦东张江拍瓦量级装置的飞秒装置,叫做“超强超短激光实验装置”。早期,这个装置其实是免费的,但是现在已经开始收费了。
因为这样的装置确实蛮花钱的,比如它的空调费、电费之类的还是蛮多的。比如说现在浦东也在建,应该是国际上最高功率的100拍瓦的激光装置,在建设的过程中,如果以后用这样的装置,按照正常收费标准还是蛮贵的。
下集预告
下周,朱健强研究员、沈百飞教授、张志刚教授、丁洁将聚焦核聚变研究领域的人才培养问题发表各自的看法,请大家持续关注。
“海上有光”系列访谈
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