點火現在近在咫尺。在一兩年內，國家點火裝置（NIF）——世界上最大的、最強大的雷射系統，耗資40億美元，歷時13年——的192束雷射將能量聚焦到一個比胡椒粒還小的靶丸上。來自雷射束的能量將以巨大的力量擠壓靶丸的核心，使內部的氫同位素融合在一起並釋放能量，就像一個微型氫彈。
這個訣竅以前也嘗試過——並且取得了成功。但是，每次科學家們將這些同位素融合在一起時，他們都不得不向雷射器泵入比反應釋放出的能量多得多的能量。這一次，賬本將翻轉。靶丸中心的爆炸將釋放出比雷射擠入的能量更多的能量，這種轉變比單純的會計核算更重要。理論上，這種多餘的能量可以被收集起來並用於驅動發電廠。它的燃料將是普通海水中發現的物質；其排放物——包括大氣和核排放物——將為零。這將像捕捉一顆恆星來運轉地球上的機器。它將滿足人類對能源的無盡渴望，並且它將永遠這樣做。
世界上的另一個主要聚變設施，一個位於法國南部卡達拉舍村外的價值140億美元的專案，也已開始建設。ITER（發音為“伊特”）將不依賴雷射的鉗制；它的超導磁體將把氫同位素聚集在一起，並將其加熱到1.5億攝氏度——比太陽表面熱25000倍。這個實驗也有望產生淨能量增益。此外，與雷射系統的間歇效能量爆發不同，磁體將能夠將等離子體維持數十秒甚至數百秒，從而產生持續的能量火焰。
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這些成就將是自核時代曙光以來，為了馴服恆星中心運作的processes併為我們自己的目的操縱它們而進行的狂熱追求中的一個里程碑。然而，點火的閃光可能只是容易的部分。資深的聚變科學家們越來越認識到，建造和執行基於聚變的發電廠的挑戰可能比首先產生火球的物理挑戰更為嚴峻。一些不直接參與聚變研究的物理學家質疑這種壯舉是否在理論上都是可能的。一個可用的反應堆必須由能夠承受數百萬度高溫多年的材料製成。它將不斷受到高能核粒子的轟擊——這些條件會使普通材料變得脆弱和具有放射性。它必須在一個複雜的增殖過程中製造自己的核燃料。並且，為了成為電網中有用的能源生產成員，它必須幾乎持續不斷地做到這些事情——數十年之久，沒有停電、中斷或事故。
德克薩斯大學奧斯汀分校聚變研究所所長理查德·D·黑澤爾廷說：“一直以來的想法是，‘好吧，這些都是難題，但它們是可解決的問題，讓我們專注於聚變核心本身’。” “這可能是一個錯誤。”
大自然的承諾
聚變——或者更確切地說，是缺乏聚變——至少自19世紀60年代以來一直困擾著科學家。查爾斯·達爾文的新自然選擇進化論需要數十億年的漸進式變化才能解釋地球上令人難以置信的生命多樣性。然而，當時對太陽年齡的最佳估計——由著名的英國物理學家威廉·湯姆森（更廣為人知的名字是開爾文勳爵）提供——得出的結論是，太陽的年齡不可能超過幾千萬年。正如查爾斯·塞夫在他的優秀著作《瓶子裡的太陽》（維京出版社，2008年）中所述，達爾文認為湯姆森的批評是對進化論最嚴重的打擊之一。他無力地反駁說，科學家們應該暫緩判斷，因為我們對宇宙規律的理解是不完整的。
達爾文是對的。又過了七十年，科學家們才開發出必要的工具來理解是什麼使太陽發光。到20世紀30年代，科學家們知道所有物質都是由原子構成的，並且這些原子有一個帶正電荷的質子和中性中子的原子核。（氫是唯一的例外——它的原子核只有一個質子。）阿爾伯特·愛因斯坦透過E = mc2證明了質量可以轉化為能量。光譜學研究表明，太陽不是像湯姆森假設的那樣由熔岩構成——它主要由氫和一些氦組成。
1938年，物理學家漢斯·貝特意識到，在太陽中心，壓力一定非常大，以至於單個氫原子核會被擠壓在一起，其力量足以克服通常使同電荷離子相互排斥的斥力。貝特闡述了氫離子融合在一起的四個步驟的鏈式反應。反應的最終產物比投入其中的成分稍輕，而這種質量損失（透過E = mc2）轉化為為太陽提供能量的能量。
這種複雜的鏈式反應需要只有在恆星中心才存在的壓力。引發聚變的一個相對簡單的方法是從氫的兩種同位素開始——氘，其原子核中有一個質子和一箇中子，以及氚，其原子核中有一個質子和兩個中子。使氘和氚足夠靠近，它們就會結合形成氦（兩個質子，兩個中子）、一箇中子和一次能量爆發。該反應對溫度和壓力的要求相對較低，但它仍然產生表徵聚變反應的巨大能量。
如果科學家能夠在受控環境中催化聚變，世界能源問題將消失。燃料是豐富的：海水中含有氘，而氚可以在反應堆內部產生。與普通的基於裂變的核反應堆不同，聚變不會產生長壽命的放射性副產品——更常見的說法是核廢料。理論上，一加侖摻氘水可以產生相當於一艘超級油輪石油的能量，而其唯一的排放物是一縷氦氣。國家點火裝置主任愛德華·I·摩西說：“你沒有地緣政治，擁有清潔能源和無限的燃料供應。” “這太好了，簡直難以置信。”
的確如此。第一批聚變反應堆的設計出現在20世紀50年代早期，當時普林斯頓大學教授萊曼·斯皮策估計，他的“仿星器”（源自拉丁語“恆星”）將產生1.5億瓦的功率，足以為15萬戶家庭供電。他的設計依賴於這樣一個事實，即在聚變所需的高溫下，所有電子都將從其母原子中剝離出來。這形成了一種帶電粒子湯，稱為等離子體，可以用磁場控制。斯皮策的仿星器本質上是一個磁瓶，即使在加熱到數百萬度的高溫下，也能將等離子體固定在原位。
然而，斯皮策和其他追隨他的人並沒有徹底瞭解等離子體的行為方式。他們很快就會了解到——非常失望的是——等離子體的行為一點也不好。
想象一下拿著一個大的、軟趴趴的氣球。現在把它擠壓到儘可能小。無論你多麼均勻地施加壓力，氣球總是會從你手指之間的縫隙中擠出來。同樣的問題也適用於等離子體。每當科學家試圖將它們緊緊地擠壓成足以引發聚變的小球時，等離子體都會想辦法從側面擠出來。這是所有型別的聚變反應堆都存在的悖論——你把等離子體加熱得越高，擠壓得越緊，它就越會抵抗你控制它的努力。
在過去的六十年裡，科學家們一直在努力使用越來越大的磁瓶來馴服等離子體。每次物理學家推出一種改進的機器，旨在糾正上次出現的問題時，更高的能量都會揭示出新的問題種類。阿貢和橡樹嶺國家實驗室前聚變專案主任，現任美國ITER技術諮詢委員會主席查爾斯·貝克說：“無論你對等離子體做什麼，它們總是有點不穩定。”
20世紀70年代的能源危機也見證了一個平行的聚變研究計劃的誕生，該計劃試圖避免一些與磁約束等離子體相關的問題。這些技術使用大量的雷射來壓縮和加熱由氘和氚製成的靶丸。這項研究——在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室進行，該實驗室是美國核武器計劃的所在地——從一個簡單的雙束試驗檯開始。雷射功率的進步導致了1977年的希瓦（以印度教的創造與毀滅之神溼婆命名），然後在1984年出現了諾瓦。每個專案都打破了利弗莫爾自己創造的地球上最強大的雷射爆炸的世界紀錄，但與磁約束專案一樣，它們仍然無法達到盈虧平衡——即聚變產生的能量與雷射投入的能量一樣多。為此，利弗莫爾需要一種比以前任何雷射都強大70倍的雷射器。1997年，國家點火裝置開始建設。
微小的爆炸
從外面看，國家點火裝置看起來並不起眼。它沒有窗戶，大約有一個飛機庫那麼大，漆成柔和的米色，放在郊區的辦公園區裡也不會顯得突兀。但與大多數大型科學專案——人們立即想到的就是大型強子對撞機——一樣，真正令人敬畏的是專案深埋地下的核心部分。在內部，數十根直徑一米的管道橫跨整個設施。這些管道通向目標室，這是一個三層樓高的球體，上面佈滿了供雷射穿過的舷窗。在這個腔室的中心，氘-氚靶被固定在一個看起來像巨型鉛筆尖的裝置上。雷射將聚焦在中心點幾毫米的範圍內，以至少在瞬間超過全國電力消耗的脈衝壓碎目標。
儘管NIF的設計目的是達到盈虧平衡，但其主要任務與國家安全有關。1996年，比爾·克林頓總統簽署了全面禁止核試驗條約，並禁止了所有美國核武器試驗。為了確保武器庫中的武器能夠繼續按預期執行——也就是說，如果總統下令打擊，個別彈頭將會引爆，否則永遠不會引爆——洛斯阿拉莫斯和利弗莫爾的國家核武器實驗室啟動了庫存管理計劃，這是一個旨在確保估計目前庫存中的5200枚彈頭可靠性的維護和測試系統。
大多數核武器維護只是例行檢查和更換部件。另一個關鍵組成部分是核爆炸的計算機建模。此類計算機模型對初始條件極其敏感；NIF旨在提供來自微型氘-氚爆炸的資料，以輸入到模型中。（該設施還將用於純科學實驗——其中第一個實驗涉及對超新星衝擊波的研究。）
然而，當該設施最終於去年五月上線時，其發電潛力獲得了最多的關注。《紐約時報》上托馬斯·弗裡德曼的一篇題為“下一個真正酷的東西”的專欄文章提供了一個典型的例子。他在文章中寫道，“每個被壓碎的靶丸都會釋放出一股能量，然後可以利用這股能量來加熱液態鹽，併產生大量的蒸汽來驅動渦輪機，併為你的家庭發電——就像今天的煤炭一樣。”
理論上，是的。但NIF從未打算成為一臺可以產生可用能源的機器。根據目前的執行計劃，NIF將於今年晚些時候開始氘-氚聚變實驗，然後，如果一切順利，將在大約一年後達到盈虧平衡。請注意，正如摩西解釋的那樣，這不是“發電廠盈虧平衡”。這僅僅是從靶丸中獲得的能量多於雷射系統投入的能量（用於產生420萬焦耳雷射的淨能量以及在到達目標的過程中發生的損失都從該賬本中登出了）。即便如此，它也應該比ITER提前15年以上達到這個里程碑。
反應堆的障礙
無論你如何實現聚變——無論是使用兆焦耳雷射還是磁場的擠壓——能量輸出都將以中子的形式出現。由於這些粒子是中性的，它們不受電場或磁場的影響。此外，它們也能直接穿過大多數固體材料。
阻止中子的唯一方法是讓它直接撞擊原子核。這種碰撞通常是災難性的。從氘-氚聚變反應中釋放出的中子能量非常高，它們可以撞擊通常是堅固金屬（例如鋼）中的原子，使其脫離位置。隨著時間的推移，這些撞擊會削弱反應堆，使結構部件變得脆弱。
有時，中子會將良性材料變成放射性的。當中子撞擊原子核時，原子核會吸收中子並變得不穩定。貝克說，即使中子來自“清潔”反應（如聚變），穩定的中子流也會使任何普通容器變得危險地具有放射性。“如果有人想向你推銷任何型別的核系統，並說沒有放射性，那你就要捂緊你的錢包了。”
基於聚變的發電廠還必須將來自中子的能量轉化為驅動渦輪機的熱量。未來的反應堆設計將在聚變核心周圍的一個區域（稱為包層）中進行轉換。儘管給定中子撞擊包層中任何單個原子核的機率很小，但足夠厚且由合適材料（例如幾米厚的鋼）製成的包層將捕獲幾乎所有穿過的中子。這些碰撞加熱包層，液態冷卻劑（如熔鹽）將熱量從反應堆中抽出。然後，熱鹽被用來煮沸水，並且像任何其他發電機一樣，這種蒸汽旋轉渦輪機來發電。
但這並非如此簡單。包層還有另一項任務，這項任務與反應堆的最終成功一樣至關重要，那就是提取能量。包層必須製造最終返回反應堆的燃料。
雖然氘價格低廉且儲量豐富，但氚非常稀有，必須從核反應中獲取。一座普通的核電站每年可以生產2到3公斤氚，估計每公斤成本在8000萬美元到1.2億美元之間。不幸的是，一座磁約束聚變電站每週將消耗大約一公斤氚。加州大學洛杉磯分校聚變科學與技術中心主任穆罕默德·阿卜杜說：“聚變的需求遠遠超出了裂變所能供應的範圍。”
為了使聚變電站能夠自行產生氚，它必須借用一些原本用於能量的中子。在包層內部，鋰（一種柔軟、高活性的金屬）通道將捕獲高能中子，以製造氦和氚。氚將透過通道逸出，被反應堆捕獲，並重新注入等離子體。
然而，當你深入瞭解細節時，核算就變得岌岌可危。每次聚變反應都會消耗一個氚離子，並精確地產生一箇中子。因此，從反應堆中出來的每個中子都必須至少產生一個氚離子，否則反應堆很快就會出現氚赤字——消耗的比產生的多。只有當科學家設法誘導複雜的級聯反應時，才能避免這個障礙。首先，一箇中子撞擊鋰7同位素，雖然它消耗能量，但會同時產生一個氚離子和一箇中子。然後，第二個中子繼續撞擊鋰6同位素，併產生第二個氚離子。
此外，所有這些氚都必須以接近100%的效率收集並重新引入等離子體。蘇黎世瑞士聯邦理工學院的粒子物理學家邁克爾·迪特馬爾說：“在這個鏈式反應中，你不能損失一箇中子，否則反應就會停止。” “在建造反應堆之前，應該做的第一件事是證明氚的生產可以發揮作用。很明顯，這完全是不可能的。”
黑澤爾廷說：“這個聚變包層是一個非常精巧的小玩意。” “它正在接受大量的熱量，並在不使自身過熱的情況下處理這些熱量。它正在接受中子，並且它是由非常精密的材料製成的，因此在面對這些中子時，它不會壽命短暫。並且它正在利用這些中子將鋰轉化為氚。”
不幸的是，ITER不會測試包層設計。這就是為什麼許多科學家——特別是那些在美國的科學家，美國在ITER的設計、建造或執行中沒有發揮重要作用——認為需要一個單獨的設施來設計和建造包層。阿卜杜說：“你必須證明你可以在一個實際的系統中做到這一點，而我們從未建造或測試過包層。從未。” 阿卜杜估計，如果這樣一個測試設施明天獲得資金，也需要30到75年的時間才能充分了解這些問題，從而開始建造可執行的發電廠。“我相信這是可行的，”他說，“但這需要大量的工作。”
彌天大謊
假設它發生了。現在是2050年。NIF和ITER都取得了巨大的成功，按時並在預算內實現了其能量增益目標。當物理學家提高每個系統中的能量時，大自然母親沒有帶來任何意外；永遠不受約束的等離子體的行為如預期的那樣。一個單獨的材料設施演示瞭如何建造一個可以產生氚並將中子轉化為電力的包層，以及如何承受聚變電站日常使用中的亞原子應力。並且，讓我們假設一個可用的聚變電站的估計成本僅為100億美元。它會是一個有用的選擇嗎？
即使對於那些一生都在追求聚變能源夢想的人來說，這個問題也很難回答。問題在於，基於聚變的發電廠——像普通的裂變電站一樣——將被用於產生基本負荷電力。也就是說，為了彌補其高昂的初始成本，它們需要始終保持執行。貝克說：“無論何時你擁有任何資本密集型系統，你都希望它晝夜不停地執行，因為你不需要為燃料付費。”
不幸的是，要使等離子體持續執行相當長的時間極其困難。到目前為止，反應堆能夠維持聚變等離子體的時間還不到一秒鐘。ITER的目標是將燃燒等離子體維持數十秒。從這個持續時間到晝夜不停的執行又是一個巨大的飛躍。貝克說：“聚變需要達到90%的可用性，”這個數字包括定期維護所需的停機時間。“這是預測聚變系統經濟可靠性方面最大的不確定性。”
NIF主任摩西認為他有答案。他提出了一種混合聚變-裂變反應堆的擬議設計——一種利用雷射驅動聚變反應產生的中子來驅動普通核廢料包層中的裂變反應的反應堆。他稱他的系統為LIFE——雷射慣性聚變引擎——並表示他可以在20年內將其連線到電網。
該系統依賴於這樣一個事實，即進入發電廠的鈾只有5%在使用之前就被取出並放入長期儲存。LIFE將用中子轟擊這種乏燃料，從而加速其衰變為更輕、放射性更低的元素，同時產生可用於發電的熱量。摩西說：“我們的研究表明，我們將與當今所有可用的能源競爭。” “甚至比它們更便宜。”
當然，LIFE也並非沒有缺陷。加州大學伯克利分校核工程教授愛德華·C·摩爾斯說：“你想看看每個專案中的彌天大謊。” “在[基於雷射的]聚變中，彌天大謊是我們能以每個鎳幣的價格製造這些目標膠囊。” 目標膠囊，即胡椒粒大小的氘-氚燃料球，必須經過精密的機械加工並且非常圓，以確保它們從各個側面均勻壓縮。靶丸上的任何凸起都會使目標無法爆炸，這使得當前迭代的靶丸價格過高。雖然計劃在現場製造靶丸的利弗莫爾沒有公佈預計成本，但羅切斯特大學雷射能量學實驗室也製造類似的氘-氚球。摩爾斯說：“現在的現實情況是，羅切斯特使用的靶丸的年度預算為數百萬美元，而他們每年大約製造六個膠囊。” “所以你可能會說這些膠囊每個價值100萬美元。”
與目前NIF的迭代不同，NIF每隔幾個小時才能發射一個靶丸，而目標將以加特林機槍的速度在腔室中迴圈。“這是一臺600轉/分的機器，”摩西說。“它就像一臺百萬馬力的汽車發動機——只是沒有碳。” 一座晝夜不停運轉的LIFE電站每天將消耗近9萬個目標。
當然，不可能預測20年後的世界能源狀況。也許對聚變能的需求將比以往任何時候都更大。或者，太陽能、風能或某些尚未預見到的替代能源的突破可能會使聚變顯得昂貴且笨重。黑澤爾廷說：“人們可能會說，‘是的，它起作用了，這很棒，但我們不再需要它了，因為我們還有一系列其他的東西。’”
過去，聚變與這些考慮因素無關。它從根本上不同於骯髒的化石燃料或危險的鈾。它是美麗而純淨的——一個永久的解決方案，我們對能源渴望的終結。它儘可能地接近宇宙的完美，就像人類可能達到的那樣。
現在，這些願景正在消退。聚變只是眾多選擇之一，而且需要數十年的努力才能結出果實。點火可能近在咫尺，但無限能源的時代還遠未到來。