坐在Tri Alpha Energy實驗性聚變反應堆的控制室裡，面對標有“等離子槍”和“射擊控制”的電腦螢幕，當我們準備發射時，我感到有些焦慮。這個反應堆是一個早期原型，用於發電廠，該發電廠將以可控的方式產生能量，類似於恆星和氫彈內部發生的反應。
在頭頂的影片饋送中，我看到工人們在這家位於加利福尼亞州爾灣市郊區不起眼的倉庫車間裡，從大型反應堆走向門口。反應堆中心的閃亮圓柱形真空室，大約有兩輛校車首尾相連那麼長，被二十幾個環形電磁鐵包圍著，每個電磁鐵都比我高，和我腿一樣粗。在我發出指令後，那個腔室內的溫度將在瞬間升至約 1000 萬攝氏度。
“點選那個按鈕，”操作員告訴我。我照做了。
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在隔壁的建築物中，四個巨大的飛輪，今天早上使用當地電網的電力啟動，釋放出 20 兆瓦的電湧。電流為環形磁鐵通電，併為強大的電容器組充電，為即將到來的巨大沖擊做好準備。在兩分鐘內，我控制螢幕上的所有儀表都從“準備中”切換到“已準備就緒”。
操作員傾身靠近麥克風。“觸發，”他透過揚聲器說道。警示燈開始閃爍。我將游標移到標有“觸發”的按鈕上。然後，我點選了它。
電容器在一微秒內釋放出儲存的電力。氫離子云在真空圓柱體的兩端形成，並以每小時近一百萬公里的速度向中心推進。它們在那裡碰撞並形成一個熱的、旋轉的等離子體，形狀像一個巨大的空心雪茄。
聽起來很戲劇性，但在控制室裡，沒有閃光，沒有轟鳴——只有一聲微弱的“砰”，彷彿反應堆房間裡有人將扳手掉在水泥地上。瞬間，等離子體團消散了，計算機開始處理從反應堆中數十個感測器傳輸來的千兆位元組資料。警示燈熄滅，工人們回到各自的工作崗位。
又一次聚變射擊。當您像 Tri Alpha 一樣每天發射多達 100 次時，再多一次沒什麼大不了的。
在僅僅兩年的時間裡進行了 50,000 次小“砰”聲之後，C-2U 測試機在二月份我訪問時，已經為 Tri Alpha 團隊提供了他們繼續前進所需的所有資料。四月份，Michl Binderbauer，這位精力充沛、易激動的物理學家是該公司的首席技術官，他告訴他的工程師拆除它，並將其部件拆卸下來，用於更先進的反應堆——被稱為 C-2W——將於 2017 年年中完成。
Tri Alpha 的方法——快速構建原型，進行足夠的測試，然後升級到更好的原型——與聚變研究領域的常態截然不同。幾十年來，學術科學家們設計了巨大的機器，旨在解決熾熱、加壓等離子體中的神秘行為，這些等離子體本應產生聚變反應，但通常不會產生。Binderbauer 是維也納一位連續創業家的兒子，他代表了一種新型的聚變家，他們受到投資者、工程思維以及對建造實用發電廠而不是高能物理紀念碑的堅定關注的驅動。
其他幾家初創公司，例如溫哥華以外的 General Fusion，也同樣押注他們可以在不必理清沿途複雜物理學的每一個細節的情況下，建造一臺商業機器。這樣的聚變發電廠將使用從海水或普通礦物中提取的燃料執行，這些燃料幾乎取之不盡，且不含碳。因此，這些工廠幾乎不會產生溫室氣體。它們也幾乎不會造成輻射或武器化風險，並且會產生足夠的電力來執行整個城市——每天、每天。所有新的先驅者需要做的就是解決人類有史以來面臨的一些最棘手的物理和工程問題。
現在，實用主義者們受到了人們的關注，因為學術界人士已經走到了實際的死衚衕：巨大的反應堆已經闡明瞭一些聚變科學，但並沒有走上在本世紀中葉之前將電力輸送到電網的軌道。一個例子是勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置 (NIF)，這是一臺耗資 40 億美元的機器，用萬億瓦特的雷射脈衝轟擊微小的燃料罐。“NIF 每年只發射幾百次，”Binderbauer 用他奧地利的口音說道。發電廠每天必須發射數萬次。該系統已經交付了有用的武器研究（其主要目的），但其能量輸出必須增加近 30,000 倍才能僅僅覆蓋執行雷射器所需的能量——並且遠不止於此才能具有商業價值。兩年前，利弗莫爾放棄了設計原型發電廠的計劃。
第二個令人沮喪的例子是 ITER，一臺由多個國家聯合在法國建造的 10 層樓高的機器。它將依靠巨大的超導磁體來控制在約 1.5 億攝氏度下燃燒數分鐘的等離子體。即使成功，ITER 也不會發電。
在 2006 年啟動 ITER 的政治家們預計其成本為 110 億美元，並將在今年全面建成。截至 5 月，成本已膨脹至 200 億美元，美國為此承擔了約 50 億美元。全面執行最早也要到 2035 年才能實現。沮喪的參議員以 90 比 8 的投票結果切斷了美國的資金。但在美國能源部隨後進行的謹慎信任投票之後，在撰寫本文時，國會準備繼續參與這場遊戲，至少到明年。
Binderbauer 和其他特立獨行的人們從巨人的緩慢進展中吸取了教訓，他們將希望寄託在從新角度解決問題的小型機器上。為了實現目標，他們必須將極少量的燃料壓縮得足夠密集、加熱得足夠熱，並以這種方式約束足夠長的時間，以便原子融合在一起，將其微小的質量轉化為大量的能量。NIF 和 ITER 位於合理設計光譜的兩個極端，該光譜跨越了巨大的等離子體密度和能量約束時間範圍（衡量熱量在等離子體內部停留多長時間的指標）。大多數新來者正在尋找位於較少探索的中間地帶的更佳位置。
同樣重要的是，初創公司的設計目的是相對快速地成功或失敗。洛斯阿拉莫斯國家實驗室的聚變物理學家 Scott Hsu 說，他們的反應堆“可能比 ITER 便宜 100 倍，更容易、更快地建造，並且更有利於更快的研究進展”，他與另一家初創公司 HyperV Technologies 合作。（在這種設計中，數百支槍向球形反應堆中心發射氬等離子體脈衝，在那裡它們會聚並壓縮氫燃料。）這些方案中的任何重大缺陷很可能會在風險上升到數十億美元和數十年的時間之前顯現出來。
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來源：Don Foley（反應堆），Jen Christiansen（粒子圖）
這讓他們的投資者感到高興。通用聚變公司 1 億美元的資金部分來自 Amazon.com 創始人傑夫·貝佐斯、加拿大政府和馬來西亞的主權財富基金。Tri Alpha 聲稱已從包括高盛和微軟聯合創始人保羅·艾倫在內的投資者那裡籌集了數億美元。另一個快速發展的團隊是桑迪亞國家實驗室，部分由美國能源部高階研究計劃署-能源 (ARPA-E) 資助，該機構以風險投資家的方式資助長期專案。
支持者正在進行高風險、高回報的押注。事實上，聚變研究領域充斥著“大自然說，‘好主意，但這行不通’”的案例，桑迪亞專案的資深理論家 Stephen A. Slutz 諷刺道。
擠壓火焰
穩定狂暴等離子體的挑戰源於聚變本身的性質。只有當兩個原子核（剝奪了電子）足夠接近、時間足夠長時，它們才能融合，因為它們之間強大的核力吸引力克服了質子之間的靜電斥力。當這種情況發生時，離子合併形成一個更重元素的單一原子核，該原子核的質量小於原料的質量。缺失的物質轉化為豐富的能量，以光子和快速移動的亞原子粒子的形式存在。相比之下，裂變反應堆從鈾等正在分裂而不是結合在一起的原子中提取能量。
為了獲得高聚變率，等離子體中的離子必須彼此快速移動——但不要太快。這通常意味著等離子體溫度高於 1 億攝氏度。反應堆必須將超熱等離子體擠壓到真空室內相對較小的空間中，並將原子核保持在那裡，直到反應發生。根據經驗法則，等離子體的密度和能量約束時間的乘積必須大於約 1014 秒/立方厘米。密度、時間和溫度的廣泛組合都可以起作用。
ITER 是一種“託卡馬克”反應堆設計，將使用大約半克富含中子的氫同位素（稱為氘和氚）的稀薄等離子體，漂浮在小型房屋大小的真空室內。ITER 的目標是低等離子體密度，能量約束時間為幾秒。
相比之下，NIF 從 192 個方向向一個微小的罐子發射高達 500 萬億瓦特的雷射脈衝，該罐子裝有一個冷凍的固態氘和氚斑點。產生和引導雷射脈衝的光學器件和電子器件填滿了一棟 30 米高的建築物，該建築物足以覆蓋三個足球場。為了實現點火——一種聚變燃料釋放足夠的能量來維持持續聚變反應而無需外部幫助的狀態——NIF 尋求極高的等離子體密度，這是它需要的，因為能量僅透過慣性約束，時間僅為納秒級。
ARPA-E 的專案主管 Patrick McGrath 說，一個巨大的機會可能在於這兩個極端之間較少探索的區域：中等等離子體密度和中等能量約束時間。但是，還沒有機器能夠掌握此類等離子體中不可避免地出現的湍流和不穩定性的難題。在聚變在內部轟鳴的同時控制熱等離子體，就像試圖擠壓蠟燭火焰而不接觸它一樣——但甚至更難，因為等離子體中的離子會產生自身複雜且具有破壞性的電流和磁場。“即使你能點燃蠟燭，”美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室的聚變科學家 Dylan Brennan 說，“它也會自行熄滅。”
初創公司入場
在所有初創公司中，Tri Alpha 在保持對等離子體的持續控制方面顯示出最大的進展。“你在這裡看到的一切都是在不到一年的時間裡建造的，”Binderbauer 自豪地說，當我們走過 23 米長的 C-2U 機器時，與 NIF 或 ITER 相比，它非常小。在啟動僅僅三個月後，它每天就能產生多達 100 個旋轉的氫等離子體團，每個等離子體團的密度約為該公司 1014 個離子/立方厘米設計目標的一半。這些等離子體團保持穩定和高溫五毫秒。
這與該公司對等離子體在原地安靜旋轉數天或數週的願景相去甚遠。但測試受到外部電源的限制。“沒有什麼能阻止它持續我們想要的時間，”Binderbauer 聲稱，在為自身以及電網供電的全尺寸反應堆中。升級後的 C-2W 將新增數字反饋，以抵消等離子體團擺動或漂移的趨勢。
與 Tri Alpha 沒有隸屬關係的 Hsu 表示，該公司取得了“巨大的進步。他們基本上解決了穩定性問題。”但是，證明更長的約束時間——以及在更高的溫度下，同時泵入穩定的燃料流——將至關重要，因為反應堆必須連續執行才能發電。
相比之下，通用聚變公司的反應堆以脈衝方式工作。球形鋼製反應室，豎立在郊區倉庫內，直徑為一米，並佈滿了三分之一米寬的活塞，每個活塞都幾乎與該公司身材高大、留著紅色鬍鬚的創始人兼首席科學家 Michel Laberge 一樣長。Laberge 用明顯的法裔加拿大人口音描述了這臺看起來像蒸汽朋克的機器：“壓縮氣體將這些活塞加速到每小時 200 公里，然後它們撞擊鐵砧——砰！”他大聲喊道，同時響亮地拍手。“衝擊必須在五微秒內發生，才能產生衝擊波”，衝擊波在腔室的正中心坍塌。
當機器的所有部件都整合在一起時，它們將像心臟一樣每秒發射一次。每次跳動，噴射到球體中的等離子體菸圈都會壓縮並引發短暫但能量巨大的聚變反應級聯。Laberge 認為，使用這種脈衝方法更容易管理湍流，因為每個小甜甜圈狀的等離子體只需保持穩定約一毫秒。
Laberge 說，噴射器系統已經產生了具有正確的預內爆密度以及必要的溫度和磁場強度的等離子體。但等離子體僅持續了 20 微秒——太短了 50 倍——然後才成為不穩定性的受害者。Laberge 確信，一種新的噴嘴設計，形狀更像喇叭的喇叭口，將以恰到好處的量扭曲等離子體自身產生的磁場，以將燃料保持在一起足夠長的時間以進行聚變。
然而，“該領域的很多人都說通用聚變公司的方法永遠不會奏效，”正在幫助該公司的 Brennan 指出。批評者懷疑，一家初創公司中的一小群人能否掌握困擾學術研究人員多年的等離子體問題。“但從科學上講，我們是否有答案告訴我們他們做不到？”Brennan 問道。“沒有。”
在半個大陸之外的新墨西哥州，桑迪亞使用一種名為 MagLIF 的技術進行的實驗已經完成了初創公司尚未完成的事情：產生大量的聚變。與 NIF 一樣，MagLIF 的目標是高離子密度——約 10
24 個離子/立方厘米——和僅為納秒級的能量約束時間。但桑迪亞系統直徑為 34 米，比 NIF 小得多，成本也低得多，因為它使用一二連擊來加熱和加壓燃料，燃料被困在一個不超過鉛筆橡皮擦大小的圓柱體內。
為 MagLIF 供電的所謂 Z 機器釋放出 1900 萬安培的電流衝擊，產生強大的磁箍縮，壓碎圓柱體。短暫的萬億瓦特雷射脈衝在燃料開始內爆時將其電離。該機器施加一個單獨的磁場，以防止產生的等離子體從圓柱體的末端噴出。但坍塌的圓柱體可能會產生不穩定性，從而使燃料從側面逸出。
自 2013 年底開始測試以來，每次 MagLIF 射擊產生的聚變數飆升了 100 倍。“MagLIF 已經非常好用了，”Hsu 說。專案負責人 Daniel Sinars 說，他預計在 2016 年底安排的射擊中會獲得更好的結果。
如果一切順利，該團隊計劃將電流衝擊提升至 2500 萬安培。這應該產生大約 10
16 次聚變反應，足以抵消燃料在融合過程中吸收的能量，與 NIF 在 2014 年取得的成就相當，而成本僅為 NIF 的一小部分。“那將非常令人興奮，”Sinars 說。
桑迪亞已經開始制定升級 Z 機器的計劃。憑藉 6500 萬安培的電流，並在迄今為止使用的氘燃料中新增氚，新的 Z800 每次射擊可產生高達 100,000 倍的能量。這是否足以實現點火，在 ITER 之前十年或更長時間實現自持聚變？桑迪亞研究人員計算出這可能是可能的。
由於桑迪亞是國家實驗室，任何重大升級都必須獲得國會的批准，而國會一直沒有消費的意願。但競爭可能會改變這種情緒。Slutz 說，中國科學家已經建造了一個較小版本的 Z 機器，並且正在複製桑迪亞已發表的實驗，俄羅斯也計劃建造一臺類似的 5000 萬安培的機器。
提高溫度
如果這些聚變方案中的任何一個成功地達到了必要的離子密度和約束時間，它仍然必須提供點火所需的第三個要素：極高的等離子體溫度。做到這一點很困難，因為光線發射、電子相互作用和無數其他機制會使等離子體冷卻到足以在聚變反應開始後不久將其熄滅。
例如，在桑迪亞，Sinars 和 Slutz 一直在撓頭思考為什麼雷射沒有像他們的模型預測的那樣加熱燃料。覆蓋燃料靶開口端的薄窗可能會散射光線。但雷射可能根本不是這項工作的正確工具。對於商業系統，“您可能希望以其他方式加熱燃料，”Sinars 承認。該團隊正在努力改進雷射加熱，但如果他們不能做到，至少失敗會發生在遊戲的早期。
Tri Alpha 必須達到比其競爭對手高得多的溫度，因為它使用的是質子和硼 11 的燃料混合物，這種混合物在 35 億攝氏度下燃燒。這比氘-氚燃料所需的溫度高出 20 多倍。
更熱的等離子體往往更難約束。但 Binderbauer 押注 Tri Alpha 的能量約束實際上會隨著溫度的升高而提高。到目前為止，實驗中確實如此，但即使是新的 C-2W 機器也只能將等離子體加熱到所需溫度的不到 1%，並將其保持 30 毫秒。Binderbauer 承認他可能會輸掉這場物理學賭注，但他說“我們在這個領域沒有資料。我們必須去證明它。”
通用聚變公司也必須與未經證實的物理學作鬥爭——特別是，熱量從等離子體中逸出的速度有多快。“這無法從第一原理計算出來，因此有很多空間會發生糟糕的意外——或好的意外，”Laberge 說。“如果[熱]損失比預期的更糟，我們可以把機器做得更大。但如果它長到 ITER 的大小，那我們就遇到了問題。”
從原型到發電廠
當某個反應堆實現點火的那一天，香檳酒瓶塞會砰然作響——然後，將開始漫長而艱苦的工程工作，將實驗性反應堆轉變為既能發電又能盈利的發電廠。為了在全球電力供應中佔有一席之地，預計到 2040 年全球電力供應將增長 70%，聚變必須在成本上與其他清潔能源選擇競爭。
馬薩諸塞理工學院等離子體科學與聚變中心主任 Dennis Whyte 說，像 ITER 這樣的巨型託卡馬克可能永遠不會成功，因為它們會消耗過多的自身電力才能執行。初創公司已經預先投入了更多的工程思維，但仍將面臨許多實際挑戰。
例如，在可預見的未來，桑迪亞的每次 MagLIF 射擊都會破壞部分裝置。氘-氚聚變以高速中子的形式釋放出大部分能量，這些中子會損壞鋼製零件並逐漸使其具有放射性。任何使用這種燃料的聚變工廠都必須捕獲快速中子，並利用它們的熱量來旋轉渦輪機發電，同時最大限度地減少副作用。那裡的科學家們尚未深入研究如何防止損壞，他們對如何將射擊頻率從每週幾次加快到每分鐘幾次也只有粗略且未經測試的概念。HyperV 和 Magneto-Inertial Fusion Technologies（一家位於加利福尼亞州塔斯廷市的小公司）正在利用 ARPA-E 的資金來探索可能解決其中一些問題的相關方案，但這些努力遠未取得進展。
Tri Alpha 正在追求質子-硼聚變，正是為了避免快速中子帶來的麻煩。這種燃料的聚變會釋放出三個氦核，稱為 α 粒子——因此得名該公司——和 X 射線，但幾乎不產生中子。缺點：X 射線攜帶了 80% 以上產生的能量。
Binderbauer 說，原則上，排列在容器內部的光伏電池可以將這些光子轉化為電力。但這項技術尚不存在。因此，該公司正在探索沿著聚變室內壁執行冷卻劑以提取 X 射線沉積的熱量的想法。
通用聚變公司堅持使用氘-氚燃料，儘管存在中子問題，並且氚具有輕微放射性、極其稀有且非常昂貴。Laberge 計劃在反應室的內壁上泵入熔融鉛和鋰的旋轉渦流，以捕獲中子的能量。中子還將一些鋰原子分裂成氦和氚，然後可以回收用作燃料。
這在白板上是一個優雅的解決方案，但沒有人建造過這樣的系統。Hsu 說，將被繁殖的氚量仍然是推測性的。Laberge 擔心，當來自活塞的衝擊波穿過鉛鋰混合物時，一些金屬可能會噴射到等離子體中，從而抑制聚變。“這就像在火上澆水，”他承認。
人跡罕至的道路
Whyte 說，鑑於 ITER 和 NIF 令人失望的進展，“現在是時候利用我們積累的所有科學知識，並研究其他最佳化方案了”，包括對託卡馬克的改進，使其更小或將其扭曲成稱為仿星器的奇特形狀。“我希望看到一場非常緊湊的託卡馬克、通用聚變公司的想法、緊湊型仿星器和像 Tri Alpha 這樣的機器之間的競賽。讓我們看看哪種方法最有效。”
目前，美國在這場競賽中依賴於投資者的慷慨。Hsu 指出，聯邦政府為替代聚變路徑提供的資金逐年減少。他和普林斯頓大學等離子體物理實驗室主任 Stewart Prager 已敦促國會增加研究經費，以探索創新的聚變概念，這可能使其他雄心勃勃的初創公司能夠迎接挑戰。Hsu 說，如果任何創新概念取得成功，“聚變能源可能會在不到 20 年的時間內以幾十億美元的成本開發出來。”
也許是，也許不是。正如 Binderbauer 指出的那樣，“我們尚未了解的物理學有很多機會會給我們帶來麻煩。”
但請考慮潛在的回報：一種新的能源，它不依賴於風的突發奇想或被雲層阻擋的太陽，不需要對現有電網進行大的改動，不會引起對核武器的擔憂，不會熔燬或照射周圍的社群，並且在開始運轉後，可能不會比其他形式的清潔能源更昂貴。
是否值得再進行幾次射擊？