点火现在近在咫尺。在一两年内，国家点火装置（NIF）——世界上最大的、最强大的激光系统，耗资40亿美元，历时13年——的192束激光将能量聚焦到一个比胡椒粒还小的靶丸上。来自激光束的能量将以巨大的力量挤压靶丸的核心，使内部的氢同位素融合在一起并释放能量，就像一个微型氢弹。
这个诀窍以前也尝试过——并且取得了成功。但是，每次科学家们将这些同位素融合在一起时，他们都不得不向激光器泵入比反应释放出的能量多得多的能量。这一次，账本将翻转。靶丸中心的爆炸将释放出比激光挤入的能量更多的能量，这种转变比单纯的会计核算更重要。理论上，这种多余的能量可以被收集起来并用于驱动发电厂。它的燃料将是普通海水中发现的物质；其排放物——包括大气和核排放物——将为零。这将像捕捉一颗恒星来运转地球上的机器。它将满足人类对能源的无尽渴望，并且它将永远这样做。
世界上的另一个主要聚变设施，一个位于法国南部卡达拉舍村外的价值140亿美元的项目，也已开始建设。ITER（发音为“伊特”）将不依赖激光的钳制；它的超导磁体将把氢同位素聚集在一起，并将其加热到1.5亿摄氏度——比太阳表面热25000倍。这个实验也有望产生净能量增益。此外，与激光系统的间歇性能量爆发不同，磁体将能够将等离子体维持数十秒甚至数百秒，从而产生持续的能量火焰。
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这些成就将是自核时代曙光以来，为了驯服恒星中心运作的processes并为我们自己的目的操纵它们而进行的狂热追求中的一个里程碑。然而，点火的闪光可能只是容易的部分。资深的聚变科学家们越来越认识到，建造和运行基于聚变的发电厂的挑战可能比首先产生火球的物理挑战更为严峻。一些不直接参与聚变研究的物理学家质疑这种壮举是否在理论上都是可能的。一个可用的反应堆必须由能够承受数百万度高温多年的材料制成。它将不断受到高能核粒子的轰击——这些条件会使普通材料变得脆弱和具有放射性。它必须在一个复杂的增殖过程中制造自己的核燃料。并且，为了成为电网中有用的能源生产成员，它必须几乎持续不断地做到这些事情——数十年之久，没有停电、中断或事故。
德克萨斯大学奥斯汀分校聚变研究所所长理查德·D·黑泽尔廷说：“一直以来的想法是，‘好吧，这些都是难题，但它们是可解决的问题，让我们专注于聚变核心本身’。” “这可能是一个错误。”
大自然的承诺
聚变——或者更确切地说，是缺乏聚变——至少自19世纪60年代以来一直困扰着科学家。查尔斯·达尔文的新自然选择进化论需要数十亿年的渐进式变化才能解释地球上令人难以置信的生命多样性。然而，当时对太阳年龄的最佳估计——由著名的英国物理学家威廉·汤姆森（更广为人知的名字是开尔文勋爵）提供——得出的结论是，太阳的年龄不可能超过几千万年。正如查尔斯·塞夫在他的优秀著作《瓶子里的太阳》（维京出版社，2008年）中所述，达尔文认为汤姆森的批评是对进化论最严重的打击之一。他无力地反驳说，科学家们应该暂缓判断，因为我们对宇宙规律的理解是不完整的。
达尔文是对的。又过了七十年，科学家们才开发出必要的工具来理解是什么使太阳发光。到20世纪30年代，科学家们知道所有物质都是由原子构成的，并且这些原子有一个带正电荷的质子和中性中子的原子核。（氢是唯一的例外——它的原子核只有一个质子。）阿尔伯特·爱因斯坦通过E = mc2证明了质量可以转化为能量。光谱学研究表明，太阳不是像汤姆森假设的那样由熔岩构成——它主要由氢和一些氦组成。
1938年，物理学家汉斯·贝特意识到，在太阳中心，压力一定非常大，以至于单个氢原子核会被挤压在一起，其力量足以克服通常使同电荷离子相互排斥的斥力。贝特阐述了氢离子融合在一起的四个步骤的链式反应。反应的最终产物比投入其中的成分稍轻，而这种质量损失（通过E = mc2）转化为为太阳提供能量的能量。
这种复杂的链式反应需要只有在恒星中心才存在的压力。引发聚变的一个相对简单的方法是从氢的两种同位素开始——氘，其原子核中有一个质子和一个中子，以及氚，其原子核中有一个质子和两个中子。使氘和氚足够靠近，它们就会结合形成氦（两个质子，两个中子）、一个中子和一次能量爆发。该反应对温度和压力的要求相对较低，但它仍然产生表征聚变反应的巨大能量。
如果科学家能够在受控环境中催化聚变，世界能源问题将消失。燃料是丰富的：海水中含有氘，而氚可以在反应堆内部产生。与普通的基于裂变的核反应堆不同，聚变不会产生长寿命的放射性副产品——更常见的说法是核废料。理论上，一加仑掺氘水可以产生相当于一艘超级油轮石油的能量，而其唯一的排放物是一缕氦气。国家点火装置主任爱德华·I·摩西说：“你没有地缘政治，拥有清洁能源和无限的燃料供应。” “这太好了，简直难以置信。”
的确如此。第一批聚变反应堆的设计出现在20世纪50年代早期，当时普林斯顿大学教授莱曼·斯皮策估计，他的“仿星器”（源自拉丁语“恒星”）将产生1.5亿瓦的功率，足以为15万户家庭供电。他的设计依赖于这样一个事实，即在聚变所需的高温下，所有电子都将从其母原子中剥离出来。这形成了一种带电粒子汤，称为等离子体，可以用磁场控制。斯皮策的仿星器本质上是一个磁瓶，即使在加热到数百万度的高温下，也能将等离子体固定在原位。
然而，斯皮策和其他追随他的人并没有彻底了解等离子体的行为方式。他们很快就会了解到——非常失望的是——等离子体的行为一点也不好。
想象一下拿着一个大的、软趴趴的气球。现在把它挤压到尽可能小。无论你多么均匀地施加压力，气球总是会从你手指之间的缝隙中挤出来。同样的问题也适用于等离子体。每当科学家试图将它们紧紧地挤压成足以引发聚变的小球时，等离子体都会想办法从侧面挤出来。这是所有类型的聚变反应堆都存在的悖论——你把等离子体加热得越高，挤压得越紧，它就越会抵抗你控制它的努力。
在过去的六十年里，科学家们一直在努力使用越来越大的磁瓶来驯服等离子体。每次物理学家推出一种改进的机器，旨在纠正上次出现的问题时，更高的能量都会揭示出新的问题种类。阿贡和橡树岭国家实验室前聚变项目主任，现任美国ITER技术咨询委员会主席查尔斯·贝克说：“无论你对等离子体做什么，它们总是有点不稳定。”
20世纪70年代的能源危机也见证了一个平行的聚变研究计划的诞生，该计划试图避免一些与磁约束等离子体相关的问题。这些技术使用大量的激光来压缩和加热由氘和氚制成的靶丸。这项研究——在劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行，该实验室是美国核武器计划的所在地——从一个简单的双束试验台开始。激光功率的进步导致了1977年的希瓦（以印度教的创造与毁灭之神湿婆命名），然后在1984年出现了诺瓦。每个项目都打破了利弗莫尔自己创造的地球上最强大的激光爆炸的世界纪录，但与磁约束项目一样，它们仍然无法达到盈亏平衡——即聚变产生的能量与激光投入的能量一样多。为此，利弗莫尔需要一种比以前任何激光都强大70倍的激光器。1997年，国家点火装置开始建设。
微小的爆炸
从外面看，国家点火装置看起来并不起眼。它没有窗户，大约有一个飞机库那么大，漆成柔和的米色，放在郊区的办公园区里也不会显得突兀。但与大多数大型科学项目——人们立即想到的就是大型强子对撞机——一样，真正令人敬畏的是项目深埋地下的核心部分。在内部，数十根直径一米的管道横跨整个设施。这些管道通向目标室，这是一个三层楼高的球体，上面布满了供激光穿过的舷窗。在这个腔室的中心，氘-氚靶被固定在一个看起来像巨型铅笔尖的装置上。激光将聚焦在中心点几毫米的范围内，以至少在瞬间超过全国电力消耗的脉冲压碎目标。
尽管NIF的设计目的是达到盈亏平衡，但其主要任务与国家安全有关。1996年，比尔·克林顿总统签署了全面禁止核试验条约，并禁止了所有美国核武器试验。为了确保武器库中的武器能够继续按预期运行——也就是说，如果总统下令打击，个别弹头将会引爆，否则永远不会引爆——洛斯阿拉莫斯和利弗莫尔的国家核武器实验室启动了库存管理计划，这是一个旨在确保估计目前库存中的5200枚弹头可靠性的维护和测试系统。
大多数核武器维护只是例行检查和更换部件。另一个关键组成部分是核爆炸的计算机建模。此类计算机模型对初始条件极其敏感；NIF旨在提供来自微型氘-氚爆炸的数据，以输入到模型中。（该设施还将用于纯科学实验——其中第一个实验涉及对超新星冲击波的研究。）
然而，当该设施最终于去年五月上线时，其发电潜力获得了最多的关注。《纽约时报》上托马斯·弗里德曼的一篇题为“下一个真正酷的东西”的专栏文章提供了一个典型的例子。他在文章中写道，“每个被压碎的靶丸都会释放出一股能量，然后可以利用这股能量来加热液态盐，并产生大量的蒸汽来驱动涡轮机，并为你的家庭发电——就像今天的煤炭一样。”
理论上，是的。但NIF从未打算成为一台可以产生可用能源的机器。根据目前的运行计划，NIF将于今年晚些时候开始氘-氚聚变实验，然后，如果一切顺利，将在大约一年后达到盈亏平衡。请注意，正如摩西解释的那样，这不是“发电厂盈亏平衡”。这仅仅是从靶丸中获得的能量多于激光系统投入的能量（用于产生420万焦耳激光的净能量以及在到达目标的过程中发生的损失都从该账本中注销了）。即便如此，它也应该比ITER提前15年以上达到这个里程碑。
反应堆的障碍
无论你如何实现聚变——无论是使用兆焦耳激光还是磁场的挤压——能量输出都将以中子的形式出现。由于这些粒子是中性的，它们不受电场或磁场的影响。此外，它们也能直接穿过大多数固体材料。
阻止中子的唯一方法是让它直接撞击原子核。这种碰撞通常是灾难性的。从氘-氚聚变反应中释放出的中子能量非常高，它们可以撞击通常是坚固金属（例如钢）中的原子，使其脱离位置。随着时间的推移，这些撞击会削弱反应堆，使结构部件变得脆弱。
有时，中子会将良性材料变成放射性的。当中子撞击原子核时，原子核会吸收中子并变得不稳定。贝克说，即使中子来自“清洁”反应（如聚变），稳定的中子流也会使任何普通容器变得危险地具有放射性。“如果有人想向你推销任何类型的核系统，并说没有放射性，那你就要捂紧你的钱包了。”
基于聚变的发电厂还必须将来自中子的能量转化为驱动涡轮机的热量。未来的反应堆设计将在聚变核心周围的一个区域（称为包层）中进行转换。尽管给定中子撞击包层中任何单个原子核的几率很小，但足够厚且由合适材料（例如几米厚的钢）制成的包层将捕获几乎所有穿过的中子。这些碰撞加热包层，液态冷却剂（如熔盐）将热量从反应堆中抽出。然后，热盐被用来煮沸水，并且像任何其他发电机一样，这种蒸汽旋转涡轮机来发电。
但这并非如此简单。包层还有另一项任务，这项任务与反应堆的最终成功一样至关重要，那就是提取能量。包层必须制造最终返回反应堆的燃料。
虽然氘价格低廉且储量丰富，但氚非常稀有，必须从核反应中获取。一座普通的核电站每年可以生产2到3公斤氚，估计每公斤成本在8000万美元到1.2亿美元之间。不幸的是，一座磁约束聚变电站每周将消耗大约一公斤氚。加州大学洛杉矶分校聚变科学与技术中心主任穆罕默德·阿卜杜说：“聚变的需求远远超出了裂变所能供应的范围。”
为了使聚变电站能够自行产生氚，它必须借用一些原本用于能量的中子。在包层内部，锂（一种柔软、高活性的金属）通道将捕获高能中子，以制造氦和氚。氚将通过通道逸出，被反应堆捕获，并重新注入等离子体。
然而，当你深入了解细节时，核算就变得岌岌可危。每次聚变反应都会消耗一个氚离子，并精确地产生一个中子。因此，从反应堆中出来的每个中子都必须至少产生一个氚离子，否则反应堆很快就会出现氚赤字——消耗的比产生的多。只有当科学家设法诱导复杂的级联反应时，才能避免这个障碍。首先，一个中子撞击锂7同位素，虽然它消耗能量，但会同时产生一个氚离子和一个中子。然后，第二个中子继续撞击锂6同位素，并产生第二个氚离子。
此外，所有这些氚都必须以接近100%的效率收集并重新引入等离子体。苏黎世瑞士联邦理工学院的粒子物理学家迈克尔·迪特马尔说：“在这个链式反应中，你不能损失一个中子，否则反应就会停止。” “在建造反应堆之前，应该做的第一件事是证明氚的生产可以发挥作用。很明显，这完全是不可能的。”
黑泽尔廷说：“这个聚变包层是一个非常精巧的小玩意。” “它正在接受大量的热量，并在不使自身过热的情况下处理这些热量。它正在接受中子，并且它是由非常精密的材料制成的，因此在面对这些中子时，它不会寿命短暂。并且它正在利用这些中子将锂转化为氚。”
不幸的是，ITER不会测试包层设计。这就是为什么许多科学家——特别是那些在美国的科学家，美国在ITER的设计、建造或运行中没有发挥重要作用——认为需要一个单独的设施来设计和建造包层。阿卜杜说：“你必须证明你可以在一个实际的系统中做到这一点，而我们从未建造或测试过包层。从未。” 阿卜杜估计，如果这样一个测试设施明天获得资金，也需要30到75年的时间才能充分了解这些问题，从而开始建造可运行的发电厂。“我相信这是可行的，”他说，“但这需要大量的工作。”
弥天大谎
假设它发生了。现在是2050年。NIF和ITER都取得了巨大的成功，按时并在预算内实现了其能量增益目标。当物理学家提高每个系统中的能量时，大自然母亲没有带来任何意外；永远不受约束的等离子体的行为如预期的那样。一个单独的材料设施演示了如何建造一个可以产生氚并将中子转化为电力的包层，以及如何承受聚变电站日常使用中的亚原子应力。并且，让我们假设一个可用的聚变电站的估计成本仅为100亿美元。它会是一个有用的选择吗？
即使对于那些一生都在追求聚变能源梦想的人来说，这个问题也很难回答。问题在于，基于聚变的发电厂——像普通的裂变电站一样——将被用于产生基本负荷电力。也就是说，为了弥补其高昂的初始成本，它们需要始终保持运行。贝克说：“无论何时你拥有任何资本密集型系统，你都希望它昼夜不停地运行，因为你不需要为燃料付费。”
不幸的是，要使等离子体持续运行相当长的时间极其困难。到目前为止，反应堆能够维持聚变等离子体的时间还不到一秒钟。ITER的目标是将燃烧等离子体维持数十秒。从这个持续时间到昼夜不停的运行又是一个巨大的飞跃。贝克说：“聚变需要达到90%的可用性，”这个数字包括定期维护所需的停机时间。“这是预测聚变系统经济可靠性方面最大的不确定性。”
NIF主任摩西认为他有答案。他提出了一种混合聚变-裂变反应堆的拟议设计——一种利用激光驱动聚变反应产生的中子来驱动普通核废料包层中的裂变反应的反应堆。他称他的系统为LIFE——激光惯性聚变引擎——并表示他可以在20年内将其连接到电网。
该系统依赖于这样一个事实，即进入发电厂的铀只有5%在使用之前就被取出并放入长期储存。LIFE将用中子轰击这种乏燃料，从而加速其衰变为更轻、放射性更低的元素，同时产生可用于发电的热量。摩西说：“我们的研究表明，我们将与当今所有可用的能源竞争。” “甚至比它们更便宜。”
当然，LIFE也并非没有缺陷。加州大学伯克利分校核工程教授爱德华·C·摩尔斯说：“你想看看每个项目中的弥天大谎。” “在[基于激光的]聚变中，弥天大谎是我们能以每个镍币的价格制造这些目标胶囊。” 目标胶囊，即胡椒粒大小的氘-氚燃料球，必须经过精密的机械加工并且非常圆，以确保它们从各个侧面均匀压缩。靶丸上的任何凸起都会使目标无法爆炸，这使得当前迭代的靶丸价格过高。虽然计划在现场制造靶丸的利弗莫尔没有公布预计成本，但罗切斯特大学激光能量学实验室也制造类似的氘-氚球。摩尔斯说：“现在的现实情况是，罗切斯特使用的靶丸的年度预算为数百万美元，而他们每年大约制造六个胶囊。” “所以你可能会说这些胶囊每个价值100万美元。”
与目前NIF的迭代不同，NIF每隔几个小时才能发射一个靶丸，而目标将以加特林机枪的速度在腔室中循环。“这是一台600转/分的机器，”摩西说。“它就像一台百万马力的汽车发动机——只是没有碳。” 一座昼夜不停运转的LIFE电站每天将消耗近9万个目标。
当然，不可能预测20年后的世界能源状况。也许对聚变能的需求将比以往任何时候都更大。或者，太阳能、风能或某些尚未预见到的替代能源的突破可能会使聚变显得昂贵且笨重。黑泽尔廷说：“人们可能会说，‘是的，它起作用了，这很棒，但我们不再需要它了，因为我们还有一系列其他的东西。’”
过去，聚变与这些考虑因素无关。它从根本上不同于肮脏的化石燃料或危险的铀。它是美丽而纯净的——一个永久的解决方案，我们对能源渴望的终结。它尽可能地接近宇宙的完美，就像人类可能达到的那样。
现在，这些愿景正在消退。聚变只是众多选择之一，而且需要数十年的努力才能结出果实。点火可能近在咫尺，但无限能源的时代还远未到来。