坐在Tri Alpha Energy实验性聚变反应堆的控制室里，面对标有“等离子枪”和“射击控制”的电脑屏幕，当我们准备发射时，我感到有些焦虑。这个反应堆是一个早期原型，用于发电厂，该发电厂将以可控的方式产生能量，类似于恒星和氢弹内部发生的反应。
在头顶的视频馈送中，我看到工人们在这家位于加利福尼亚州尔湾市郊区不起眼的仓库车间里，从大型反应堆走向门口。反应堆中心的闪亮圆柱形真空室，大约有两辆校车首尾相连那么长，被二十几个环形电磁铁包围着，每个电磁铁都比我高，和我腿一样粗。在我发出指令后，那个腔室内的温度将在瞬间升至约 1000 万摄氏度。
“点击那个按钮，”操作员告诉我。我照做了。
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在隔壁的建筑物中，四个巨大的飞轮，今天早上使用当地电网的电力启动，释放出 20 兆瓦的电涌。电流为环形磁铁通电，并为强大的电容器组充电，为即将到来的巨大冲击做好准备。在两分钟内，我控制屏幕上的所有仪表都从“准备中”切换到“已准备就绪”。
操作员倾身靠近麦克风。“触发，”他通过扬声器说道。警示灯开始闪烁。我将光标移到标有“触发”的按钮上。然后，我点击了它。
电容器在一微秒内释放出储存的电力。氢离子云在真空圆柱体的两端形成，并以每小时近一百万公里的速度向中心推进。它们在那里碰撞并形成一个热的、旋转的等离子体，形状像一个巨大的空心雪茄。
听起来很戏剧性，但在控制室里，没有闪光，没有轰鸣——只有一声微弱的“砰”，仿佛反应堆房间里有人将扳手掉在水泥地上。瞬间，等离子体团消散了，计算机开始处理从反应堆中数十个传感器传输来的千兆字节数据。警示灯熄灭，工人们回到各自的工作岗位。
又一次聚变射击。当您像 Tri Alpha 一样每天发射多达 100 次时，再多一次没什么大不了的。
在仅仅两年的时间里进行了 50,000 次小“砰”声之后，C-2U 测试机在二月份我访问时，已经为 Tri Alpha 团队提供了他们继续前进所需的所有数据。四月份，Michl Binderbauer，这位精力充沛、易激动的物理学家是该公司的首席技术官，他告诉他的工程师拆除它，并将其部件拆卸下来，用于更先进的反应堆——被称为 C-2W——将于 2017 年年中完成。
Tri Alpha 的方法——快速构建原型，进行足够的测试，然后升级到更好的原型——与聚变研究领域的常态截然不同。几十年来，学术科学家们设计了巨大的机器，旨在解决炽热、加压等离子体中的神秘行为，这些等离子体本应产生聚变反应，但通常不会产生。Binderbauer 是维也纳一位连续创业家的儿子，他代表了一种新型的聚变家，他们受到投资者、工程思维以及对建造实用发电厂而不是高能物理纪念碑的坚定关注的驱动。
其他几家初创公司，例如温哥华以外的 General Fusion，也同样押注他们可以在不必理清沿途复杂物理学的每一个细节的情况下，建造一台商业机器。这样的聚变发电厂将使用从海水或普通矿物中提取的燃料运行，这些燃料几乎取之不尽，且不含碳。因此，这些工厂几乎不会产生温室气体。它们也几乎不会造成辐射或武器化风险，并且会产生足够的电力来运行整个城市——每天、每天。所有新的先驱者需要做的就是解决人类有史以来面临的一些最棘手的物理和工程问题。
现在，实用主义者们受到了人们的关注，因为学术界人士已经走到了实际的死胡同：巨大的反应堆已经阐明了一些聚变科学，但并没有走上在本世纪中叶之前将电力输送到电网的轨道。一个例子是劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置 (NIF)，这是一台耗资 40 亿美元的机器，用万亿瓦特的激光脉冲轰击微小的燃料罐。“NIF 每年只发射几百次，”Binderbauer 用他奥地利的口音说道。发电厂每天必须发射数万次。该系统已经交付了有用的武器研究（其主要目的），但其能量输出必须增加近 30,000 倍才能仅仅覆盖运行激光器所需的能量——并且远不止于此才能具有商业价值。两年前，利弗莫尔放弃了设计原型发电厂的计划。
第二个令人沮丧的例子是 ITER，一台由多个国家联合在法国建造的 10 层楼高的机器。它将依靠巨大的超导磁体来控制在约 1.5 亿摄氏度下燃烧数分钟的等离子体。即使成功，ITER 也不会发电。
在 2006 年启动 ITER 的政治家们预计其成本为 110 亿美元，并将在今年全面建成。截至 5 月，成本已膨胀至 200 亿美元，美国为此承担了约 50 亿美元。全面运行最早也要到 2035 年才能实现。沮丧的参议员以 90 比 8 的投票结果切断了美国的资金。但在美国能源部随后进行的谨慎信任投票之后，在撰写本文时，国会准备继续参与这场游戏，至少到明年。
Binderbauer 和其他特立独行的人们从巨人的缓慢进展中吸取了教训，他们将希望寄托在从新角度解决问题的小型机器上。为了实现目标，他们必须将极少量的燃料压缩得足够密集、加热得足够热，并以这种方式约束足够长的时间，以便原子融合在一起，将其微小的质量转化为大量的能量。NIF 和 ITER 位于合理设计光谱的两个极端，该光谱跨越了巨大的等离子体密度和能量约束时间范围（衡量热量在等离子体内部停留多长时间的指标）。大多数新来者正在寻找位于较少探索的中间地带的更佳位置。
同样重要的是，初创公司的设计目的是相对快速地成功或失败。洛斯阿拉莫斯国家实验室的聚变物理学家 Scott Hsu 说，他们的反应堆“可能比 ITER 便宜 100 倍，更容易、更快地建造，并且更有利于更快的研究进展”，他与另一家初创公司 HyperV Technologies 合作。（在这种设计中，数百支枪向球形反应堆中心发射氩等离子体脉冲，在那里它们会聚并压缩氢燃料。）这些方案中的任何重大缺陷很可能会在风险上升到数十亿美元和数十年的时间之前显现出来。
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来源：Don Foley（反应堆），Jen Christiansen（粒子图）
这让他们的投资者感到高兴。通用聚变公司 1 亿美元的资金部分来自 Amazon.com 创始人杰夫·贝佐斯、加拿大政府和马来西亚的主权财富基金。Tri Alpha 声称已从包括高盛和微软联合创始人保罗·艾伦在内的投资者那里筹集了数亿美元。另一个快速发展的团队是桑迪亚国家实验室，部分由美国能源部高级研究计划署-能源 (ARPA-E) 资助，该机构以风险投资家的方式资助长期项目。
支持者正在进行高风险、高回报的押注。事实上，聚变研究领域充斥着“大自然说，‘好主意，但这行不通’”的案例，桑迪亚项目的资深理论家 Stephen A. Slutz 讽刺道。
挤压火焰
稳定狂暴等离子体的挑战源于聚变本身的性质。只有当两个原子核（剥夺了电子）足够接近、时间足够长时，它们才能融合，因为它们之间强大的核力吸引力克服了质子之间的静电斥力。当这种情况发生时，离子合并形成一个更重元素的单一原子核，该原子核的质量小于原料的质量。缺失的物质转化为丰富的能量，以光子和快速移动的亚原子粒子的形式存在。相比之下，裂变反应堆从铀等正在分裂而不是结合在一起的原子中提取能量。
为了获得高聚变率，等离子体中的离子必须彼此快速移动——但不要太快。这通常意味着等离子体温度高于 1 亿摄氏度。反应堆必须将超热等离子体挤压到真空室内相对较小的空间中，并将原子核保持在那里，直到反应发生。根据经验法则，等离子体的密度和能量约束时间的乘积必须大于约 1014 秒/立方厘米。密度、时间和温度的广泛组合都可以起作用。
ITER 是一种“托卡马克”反应堆设计，将使用大约半克富含中子的氢同位素（称为氘和氚）的稀薄等离子体，漂浮在小型房屋大小的真空室内。ITER 的目标是低等离子体密度，能量约束时间为几秒。
相比之下，NIF 从 192 个方向向一个微小的罐子发射高达 500 万亿瓦特的激光脉冲，该罐子装有一个冷冻的固态氘和氚斑点。产生和引导激光脉冲的光学器件和电子器件填满了一栋 30 米高的建筑物，该建筑物足以覆盖三个足球场。为了实现点火——一种聚变燃料释放足够的能量来维持持续聚变反应而无需外部帮助的状态——NIF 寻求极高的等离子体密度，这是它需要的，因为能量仅通过惯性约束，时间仅为纳秒级。
ARPA-E 的项目主管 Patrick McGrath 说，一个巨大的机会可能在于这两个极端之间较少探索的区域：中等等离子体密度和中等能量约束时间。但是，还没有机器能够掌握此类等离子体中不可避免地出现的湍流和不稳定性的难题。在聚变在内部轰鸣的同时控制热等离子体，就像试图挤压蜡烛火焰而不接触它一样——但甚至更难，因为等离子体中的离子会产生自身复杂且具有破坏性的电流和磁场。“即使你能点燃蜡烛，”美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的聚变科学家 Dylan Brennan 说，“它也会自行熄灭。”
初创公司入场
在所有初创公司中，Tri Alpha 在保持对等离子体的持续控制方面显示出最大的进展。“你在这里看到的一切都是在不到一年的时间里建造的，”Binderbauer 自豪地说，当我们走过 23 米长的 C-2U 机器时，与 NIF 或 ITER 相比，它非常小。在启动仅仅三个月后，它每天就能产生多达 100 个旋转的氢等离子体团，每个等离子体团的密度约为该公司 1014 个离子/立方厘米设计目标的一半。这些等离子体团保持稳定和高温五毫秒。
这与该公司对等离子体在原地安静旋转数天或数周的愿景相去甚远。但测试受到外部电源的限制。“没有什么能阻止它持续我们想要的时间，”Binderbauer 声称，在为自身以及电网供电的全尺寸反应堆中。升级后的 C-2W 将添加数字反馈，以抵消等离子体团摆动或漂移的趋势。
与 Tri Alpha 没有隶属关系的 Hsu 表示，该公司取得了“巨大的进步。他们基本上解决了稳定性问题。”但是，证明更长的约束时间——以及在更高的温度下，同时泵入稳定的燃料流——将至关重要，因为反应堆必须连续运行才能发电。
相比之下，通用聚变公司的反应堆以脉冲方式工作。球形钢制反应室，竖立在郊区仓库内，直径为一米，并布满了三分之一米宽的活塞，每个活塞都几乎与该公司身材高大、留着红色胡须的创始人兼首席科学家 Michel Laberge 一样长。Laberge 用明显的法裔加拿大人口音描述了这台看起来像蒸汽朋克的机器：“压缩气体将这些活塞加速到每小时 200 公里，然后它们撞击铁砧——砰！”他大声喊道，同时响亮地拍手。“冲击必须在五微秒内发生，才能产生冲击波”，冲击波在腔室的正中心坍塌。
当机器的所有部件都集成在一起时，它们将像心脏一样每秒发射一次。每次跳动，喷射到球体中的等离子体烟圈都会压缩并引发短暂但能量巨大的聚变反应级联。Laberge 认为，使用这种脉冲方法更容易管理湍流，因为每个小甜甜圈状的等离子体只需保持稳定约一毫秒。
Laberge 说，喷射器系统已经产生了具有正确的预内爆密度以及必要的温度和磁场强度的等离子体。但等离子体仅持续了 20 微秒——太短了 50 倍——然后才成为不稳定性的受害者。Laberge 确信，一种新的喷嘴设计，形状更像喇叭的喇叭口，将以恰到好处的量扭曲等离子体自身产生的磁场，以将燃料保持在一起足够长的时间以进行聚变。
然而，“该领域的很多人都说通用聚变公司的方法永远不会奏效，”正在帮助该公司的 Brennan 指出。批评者怀疑，一家初创公司中的一小群人能否掌握困扰学术研究人员多年的等离子体问题。“但从科学上讲，我们是否有答案告诉我们他们做不到？”Brennan 问道。“没有。”
在半个大陆之外的新墨西哥州，桑迪亚使用一种名为 MagLIF 的技术进行的实验已经完成了初创公司尚未完成的事情：产生大量的聚变。与 NIF 一样，MagLIF 的目标是高离子密度——约 10
24 个离子/立方厘米——和仅为纳秒级的能量约束时间。但桑迪亚系统直径为 34 米，比 NIF 小得多，成本也低得多，因为它使用一二连击来加热和加压燃料，燃料被困在一个不超过铅笔橡皮擦大小的圆柱体内。
为 MagLIF 供电的所谓 Z 机器释放出 1900 万安培的电流冲击，产生强大的磁箍缩，压碎圆柱体。短暂的万亿瓦特激光脉冲在燃料开始内爆时将其电离。该机器施加一个单独的磁场，以防止产生的等离子体从圆柱体的末端喷出。但坍塌的圆柱体可能会产生不稳定性，从而使燃料从侧面逸出。
自 2013 年底开始测试以来，每次 MagLIF 射击产生的聚变量飙升了 100 倍。“MagLIF 已经非常好用了，”Hsu 说。项目负责人 Daniel Sinars 说，他预计在 2016 年底安排的射击中会获得更好的结果。
如果一切顺利，该团队计划将电流冲击提升至 2500 万安培。这应该产生大约 10
16 次聚变反应，足以抵消燃料在融合过程中吸收的能量，与 NIF 在 2014 年取得的成就相当，而成本仅为 NIF 的一小部分。“那将非常令人兴奋，”Sinars 说。
桑迪亚已经开始制定升级 Z 机器的计划。凭借 6500 万安培的电流，并在迄今为止使用的氘燃料中添加氚，新的 Z800 每次射击可产生高达 100,000 倍的能量。这是否足以实现点火，在 ITER 之前十年或更长时间实现自持聚变？桑迪亚研究人员计算出这可能是可能的。
由于桑迪亚是国家实验室，任何重大升级都必须获得国会的批准，而国会一直没有消费的意愿。但竞争可能会改变这种情绪。Slutz 说，中国科学家已经建造了一个较小版本的 Z 机器，并且正在复制桑迪亚已发表的实验，俄罗斯也计划建造一台类似的 5000 万安培的机器。
提高温度
如果这些聚变方案中的任何一个成功地达到了必要的离子密度和约束时间，它仍然必须提供点火所需的第三个要素：极高的等离子体温度。做到这一点很困难，因为光线发射、电子相互作用和无数其他机制会使等离子体冷却到足以在聚变反应开始后不久将其熄灭。
例如，在桑迪亚，Sinars 和 Slutz 一直在挠头思考为什么激光没有像他们的模型预测的那样加热燃料。覆盖燃料靶开口端的薄窗可能会散射光线。但激光可能根本不是这项工作的正确工具。对于商业系统，“您可能希望以其他方式加热燃料，”Sinars 承认。该团队正在努力改进激光加热，但如果他们不能做到，至少失败会发生在游戏的早期。
Tri Alpha 必须达到比其竞争对手高得多的温度，因为它使用的是质子和硼 11 的燃料混合物，这种混合物在 35 亿摄氏度下燃烧。这比氘-氚燃料所需的温度高出 20 多倍。
更热的等离子体往往更难约束。但 Binderbauer 押注 Tri Alpha 的能量约束实际上会随着温度的升高而提高。到目前为止，实验中确实如此，但即使是新的 C-2W 机器也只能将等离子体加热到所需温度的不到 1%，并将其保持 30 毫秒。Binderbauer 承认他可能会输掉这场物理学赌注，但他说“我们在这个领域没有数据。我们必须去证明它。”
通用聚变公司也必须与未经证实的物理学作斗争——特别是，热量从等离子体中逸出的速度有多快。“这无法从第一原理计算出来，因此有很多空间会发生糟糕的意外——或好的意外，”Laberge 说。“如果[热]损失比预期的更糟，我们可以把机器做得更大。但如果它长到 ITER 的大小，那我们就遇到了问题。”
从原型到发电厂
当某个反应堆实现点火的那一天，香槟酒瓶塞会砰然作响——然后，将开始漫长而艰苦的工程工作，将实验性反应堆转变为既能发电又能盈利的发电厂。为了在全球电力供应中占有一席之地，预计到 2040 年全球电力供应将增长 70%，聚变必须在成本上与其他清洁能源选择竞争。
马萨诸塞理工学院等离子体科学与聚变中心主任 Dennis Whyte 说，像 ITER 这样的巨型托卡马克可能永远不会成功，因为它们会消耗过多的自身电力才能运行。初创公司已经预先投入了更多的工程思维，但仍将面临许多实际挑战。
例如，在可预见的未来，桑迪亚的每次 MagLIF 射击都会破坏部分设备。氘-氚聚变以高速中子的形式释放出大部分能量，这些中子会损坏钢制零件并逐渐使其具有放射性。任何使用这种燃料的聚变工厂都必须捕获快速中子，并利用它们的热量来旋转涡轮机发电，同时最大限度地减少副作用。那里的科学家们尚未深入研究如何防止损坏，他们对如何将射击频率从每周几次加快到每分钟几次也只有粗略且未经测试的概念。HyperV 和 Magneto-Inertial Fusion Technologies（一家位于加利福尼亚州塔斯廷市的小公司）正在利用 ARPA-E 的资金来探索可能解决其中一些问题的相关方案，但这些努力远未取得进展。
Tri Alpha 正在追求质子-硼聚变，正是为了避免快速中子带来的麻烦。这种燃料的聚变会释放出三个氦核，称为 α 粒子——因此得名该公司——和 X 射线，但几乎不产生中子。缺点：X 射线携带了 80% 以上产生的能量。
Binderbauer 说，原则上，排列在容器内部的光伏电池可以将这些光子转化为电力。但这项技术尚不存在。因此，该公司正在探索沿着聚变室内壁运行冷却剂以提取 X 射线沉积的热量的想法。
通用聚变公司坚持使用氘-氚燃料，尽管存在中子问题，并且氚具有轻微放射性、极其稀有且非常昂贵。Laberge 计划在反应室的内壁上泵入熔融铅和锂的旋转涡流，以捕获中子的能量。中子还将一些锂原子分裂成氦和氚，然后可以回收用作燃料。
这在白板上是一个优雅的解决方案，但没有人建造过这样的系统。Hsu 说，将被繁殖的氚量仍然是推测性的。Laberge 担心，当来自活塞的冲击波穿过铅锂混合物时，一些金属可能会喷射到等离子体中，从而抑制聚变。“这就像在火上浇水，”他承认。
人迹罕至的道路
Whyte 说，鉴于 ITER 和 NIF 令人失望的进展，“现在是时候利用我们积累的所有科学知识，并研究其他优化方案了”，包括对托卡马克的改进，使其更小或将其扭曲成称为仿星器的奇特形状。“我希望看到一场非常紧凑的托卡马克、通用聚变公司的想法、紧凑型仿星器和像 Tri Alpha 这样的机器之间的竞赛。让我们看看哪种方法最有效。”
目前，美国在这场竞赛中依赖于投资者的慷慨。Hsu 指出，联邦政府为替代聚变路径提供的资金逐年减少。他和普林斯顿大学等离子体物理实验室主任 Stewart Prager 已敦促国会增加研究经费，以探索创新的聚变概念，这可能使其他雄心勃勃的初创公司能够迎接挑战。Hsu 说，如果任何创新概念取得成功，“聚变能源可能会在不到 20 年的时间内以几十亿美元的成本开发出来。”
也许是，也许不是。正如 Binderbauer 指出的那样，“我们尚未了解的物理学有很多机会会给我们带来麻烦。”
但请考虑潜在的回报：一种新的能源，它不依赖于风的突发奇想或被云层阻挡的太阳，不需要对现有电网进行大的改动，不会引起对核武器的担忧，不会熔毁或照射周围的社区，并且在开始运转后，可能不会比其他形式的清洁能源更昂贵。
是否值得再进行几次射击？