加利福尼亚州利弗莫尔——在凌晨的黑暗时分，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室国家点火装置的科学家们几乎每天都在这里进行一项仪式：倒计时。在类似 NASA 的控制室内，研究人员和技术人员聚集在半圆形桌子旁的 LCD 监视器周围，桌子前方是一面由五个投影屏幕组成的墙壁。
倒计时归零，世界上最强大的激光在不到一秒的时间内无声地射向燃料目标，结果涌入。设备逐渐停止运转，科学家们则在第二天花时间研究数据，检查仪器并为下一次发射做准备。
“在某些方面，这是最令人失望的倒计时结束，因为你没有看到任何东西冲上天空，”NIF 激光聚变能源主管迈克·邓恩说。“你等待几个小时才能获得数据，然后它又变得令人兴奋起来。”
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尽管与火箭发射相比，这有点虎头蛇尾，但这里的科学家们仍然在每次点火尝试中都以星空为目标。
具体来说，他们希望利用聚变，这种为太阳和其他恒星提供能量的反应。在设施的主入口外，一座类似仓库的建筑横跨超过三个足球场，一条横幅欢快地写着：“Bringing Star Power to Earth。”
我们的太阳每秒将 6 亿吨氢转化为氦，产生热和光，沐浴着 9300 万英里外的地球，驱动气流，滋养植物，晒黑皮肤。即使将其中极小一部分能量收集并引导到地球上，也将彻底改变世界经济和人类对环境的影响。
“它只是存在一个小问题，那就是没有人证明它能工作，”邓恩解释道。
通往点火的漫长道路
虽然氢弹计划证明人类可以释放聚变能量，但自 20 世纪 40 年代以来，将其用于和平目的的努力一直很艰难。研究人员克服了挑战，却又看到新的挑战出现。现在，由于资金紧张、公众耐心消退以及解决气候变化的需求日益迫切，聚变研究面临着令人不安的问题：该往哪个方向发展，如何到达那里，以及会留下什么。
在美国，政府资助的实验室同时推进两条路线——惯性聚变和磁约束聚变——但据科学家称，这两种方法都没有以有意义地推进该领域所需的活力进行。尽管双方的研究人员都吹嘘他们正在加速进步，但两者都没有实现点火，即反应释放的能量超过启动它所需的能量的阈值。
想想篝火。一粒火花可能不足以点燃熊熊火焰，但点燃一些引火物可能会使木柴燃烧起来。在这个阶段，科学家们仍然使用过多的引火物，而没有燃烧足够的木柴来使篝火值得点燃。
然而，在很大程度上，他们了解聚变背后的物理原理。特别是，研究人员希望聚变两种氢同位素。我们熟知和喜爱的氢，也称为氕，只是一个质子被一个电子包围。在质子上粘附一个中子，你就得到了氘，它天然存在于海水中，浓度约为六千分之一。添加两个中子，你就得到了氚，它很稀有，因为它的半衰期只有 12.3 年。
在聚变反应中，你希望让一个氘与一个氚结合，形成一个由两个质子和两个中子组成的氦核。在这个过程中，反应会释放出额外的中子，它可以飞出去加热水或其他传热流体。
事实证明，新形成的氦核的质量小于其各部分质量之和。质量差以能量的形式消散，这符合爱因斯坦著名的公式 E=mc²，其中能量等于质量乘以光速的平方。这意味着极少量物质可以产生巨大的能量来引发聚变反应。
当时原子能委员会负责人刘易斯·斯特劳斯在 1954 年臭名昭著地讽刺说，电力将变得“too cheap to meter”时，他可能指的是核聚变，而不是核裂变，即为当今传统核电站提供动力的原子分裂反应。
邓恩指出，1 克聚变燃料将满足一个美国人一年的能源需求。
但在原子层面，异性相吸，同性相斥。要使带正电的原子核克服彼此之间的厌恶，需要巨大的能量输入——例如极高的温度以增加这些原子碰撞的可能性，或者巨大的压缩力迫使它们粘合在一起。
在自然界中，这种情况发生在恒星内部，它们巨大的引力将原子核聚集在一起，形成更重的元素。在地球上，这种情况发生在氢弹试验中。
对于聚变动力能源，你需要大科学——庞大的实验室、数百名研究人员毕生致力于此、先进的设备以及协调一致的多年努力——而 NIF 正是名副其实的大科学。
启动激光器
当研究人员尝试点火时，一组电容器充电，并在主振荡器处触发一道闪光，主振荡器产生 192 束激光束。光束在设施内 1500 米的行程中分裂、弯曲、扭曲、反弹和放大，并在百万分之五秒内通过 60,000 个控制点进行调制。
“如果你看过最近的《星际迷航》电影，这就是他们装载光子鱼雷的地方，”邓恩说，他指的是开关站，建筑物的这一部分将激光引导到各自的路径。
200 万焦耳的紫外激光能量随后会聚在一个圆柱形目标上，该目标被称为“黑腔”（hohlraum），这个词在德语中是“空腔”的意思。里面是一个微小的氘和氚颗粒。这里的目标是压缩球体以触发聚变，而不会使其变形或挤出，这对于工程师来说是一个棘手的问题，他们正试图通过计算机模拟以及反复试验来提高产量。
NIF 的科学家最近暗示，他们已经设法从燃料中获得的能量多于击中燃料的能量。这是一项重大成就，但由于效率低下和损失，这仍然远未达到用于产生光能的能量，而光能才是点火阈值 (ClimateWire, 10 月 15 日)。
另一种主要替代方案是磁约束。由于聚变的运行温度高达数亿摄氏度，比任何已知材料所能承受的温度都高，工程师们发现他们可以使用磁场在这些温度下约束等离子体——一种中性导电的高能量物质状态。
最常见的方法是用强大的磁体围绕一个环形容器（类似于甜甜圈）进行约束，这种装置称为托卡马克。在普林斯顿等离子体物理实验室，工程师们目前正在升级国家球面托卡马克实验装置，这是该实验室的主要聚变项目。
“当聚变技术实现商业化时，它将具有一系列令人惊叹的特性，”等离子体实验室主任斯图尔特·普拉格说。该反应产生零排放，不会爆炸或引发失控事件。由于它一半的燃料来自海水，因此足够人类使用数百万年。
磁约束聚变的目标是产生大约是约束等离子体所需能量 10 倍的能量。“我们已经取得了巨大的进展，”普拉格说。“我们已准备好从一个以科学为基础的项目转变为一个真正以能源为基础的项目。”
这将在国际热核聚变实验堆（ITER）中体现出来，ITER 是世界上最大的托卡马克装置，目前正在法国建设中。“我们有时说 ITER 将是第一个燃烧等离子体实验，”普拉格说。
“尚未到选择赢家的时候”
ITER 通讯主管米歇尔·克莱森斯也赞同普拉格的观点。“我们并非从零开始；ITER 只是最大的一个，”克莱森斯说。“我们的目标是展示聚变能源的技术可行性。”
该项目源于 1985 年里根总统和苏联总书记米哈伊尔·戈尔巴乔夫之间的一次会议，目的是开发聚变能，前提是任何国家都无法独自面对世界能源挑战。欧盟和其他几个国家的政府正在为这项事业贡献资金、设备和资源，最终成本可能超过 130 亿欧元（176 亿美元）。
“由于捐款是以实物形式提供的，而且成员没有义务告诉我们他们的成本，因此我们永远不会有 ITER 的详细成本，”克莱森斯说，并补充说，参与者可能必须等到 2027 年才能确定这是否是一种改变游戏规则的能源，或者只是有史以来最昂贵的烧水方式。
NIF 还在开发一种商用发电机，即激光惯性聚变能源工厂。该工厂不使用水来传递热量，而是使用锂。当受到中子撞击时，它会产生氚，这是你无法从海洋中获得的燃料成分。
据邓恩称，它的运行方式更像内燃机，而不是反应堆：注入燃料，压缩燃料，点燃燃料并排出残渣。
尽管惯性聚变和磁约束聚变科学家之间存在一些竞争，但普拉格表示，两者都值得支持。“解决气候变化的需求非常迫切，以至于我们希望追求所有有希望的方法，”他说。“我们尚未到选择赢家的时候。我认为两者都应该继续进行。”
即使 NIF 的研究人员每晚都在逐步提高能量产量，但在外面，另一个聚变反应堆每天早上都会在利弗莫尔山谷周围山丘上的风力涡轮机之间升起，在地平线上嘲讽着他们。无论他们认为自己离点火有多近，太阳都领先了 45 亿年。
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