加利福尼亞州利弗莫爾——在凌晨的黑暗時分，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置的科學家們幾乎每天都在這裡進行一項儀式：倒計時。在類似 NASA 的控制室內，研究人員和技術人員聚集在半圓形桌子旁的 LCD 監視器周圍，桌子前方是一面由五個投影螢幕組成的牆壁。
倒計時歸零，世界上最強大的雷射在不到一秒的時間內無聲地射向燃料目標，結果湧入。裝置逐漸停止運轉，科學家們則在第二天花時間研究資料，檢查儀器併為下一次發射做準備。
“在某些方面，這是最令人失望的倒計時結束，因為你沒有看到任何東西衝上天空，”NIF 雷射聚變能源主管邁克·鄧恩說。“你等待幾個小時才能獲得資料，然後它又變得令人興奮起來。”
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儘管與火箭發射相比，這有點虎頭蛇尾，但這裡的科學家們仍然在每次點火嘗試中都以星空為目標。
具體來說，他們希望利用聚變，這種為太陽和其他恆星提供能量的反應。在設施的主入口外，一座類似倉庫的建築橫跨超過三個足球場，一條橫幅歡快地寫著：“Bringing Star Power to Earth。”
我們的太陽每秒將 6 億噸氫轉化為氦，產生熱和光，沐浴著 9300 萬英里外的地球，驅動氣流，滋養植物，曬黑皮膚。即使將其中極小一部分能量收集並引導到地球上，也將徹底改變世界經濟和人類對環境的影響。
“它只是存在一個小問題，那就是沒有人證明它能工作，”鄧恩解釋道。
通往點火的漫長道路
雖然氫彈計劃證明人類可以釋放聚變能量，但自 20 世紀 40 年代以來，將其用於和平目的的努力一直很艱難。研究人員克服了挑戰，卻又看到新的挑戰出現。現在，由於資金緊張、公眾耐心消退以及解決氣候變化的需求日益迫切，聚變研究面臨著令人不安的問題：該往哪個方向發展，如何到達那裡，以及會留下什麼。
在美國，政府資助的實驗室同時推進兩條路線——慣性聚變和磁約束聚變——但據科學家稱，這兩種方法都沒有以有意義地推進該領域所需的活力進行。儘管雙方的研究人員都吹噓他們正在加速進步，但兩者都沒有實現點火，即反應釋放的能量超過啟動它所需的能量的閾值。
想想篝火。一粒火花可能不足以點燃熊熊火焰，但點燃一些引火物可能會使木柴燃燒起來。在這個階段，科學家們仍然使用過多的引火物，而沒有燃燒足夠的木柴來使篝火值得點燃。
然而，在很大程度上，他們瞭解聚變背後的物理原理。特別是，研究人員希望聚變兩種氫同位素。我們熟知和喜愛的氫，也稱為氕，只是一個質子被一個電子包圍。在質子上粘附一箇中子，你就得到了氘，它天然存在於海水中，濃度約為六千分之一。新增兩個中子，你就得到了氚，它很稀有，因為它的半衰期只有 12.3 年。
在聚變反應中，你希望讓一個氘與一個氚結合，形成一個由兩個質子和兩個中子組成的氦核。在這個過程中，反應會釋放出額外的中子，它可以飛出去加熱水或其他傳熱流體。
事實證明，新形成的氦核的質量小於其各部分質量之和。質量差以能量的形式消散，這符合愛因斯坦著名的公式 E=mc²，其中能量等於質量乘以光速的平方。這意味著極少量物質可以產生巨大的能量來引發聚變反應。
當時原子能委員會負責人劉易斯·斯特勞斯在 1954 年臭名昭著地諷刺說，電力將變得“too cheap to meter”時，他可能指的是核聚變，而不是核裂變，即為當今傳統核電站提供動力的原子分裂反應。
鄧恩指出，1 克聚變燃料將滿足一個美國人一年的能源需求。
但在原子層面，異性相吸，同性相斥。要使帶正電的原子核克服彼此之間的厭惡，需要巨大的能量輸入——例如極高的溫度以增加這些原子碰撞的可能性，或者巨大的壓縮力迫使它們粘合在一起。
在自然界中，這種情況發生在恆星內部，它們巨大的引力將原子核聚集在一起，形成更重的元素。在地球上，這種情況發生在氫彈試驗中。
對於聚變動力能源，你需要大科學——龐大的實驗室、數百名研究人員畢生致力於此、先進的裝置以及協調一致的多年努力——而 NIF 正是名副其實的大科學。
啟動雷射器
當研究人員嘗試點火時，一組電容器充電，並在主振盪器處觸發一道閃光，主振盪器產生 192 束雷射束。光束在設施內 1500 米的行程中分裂、彎曲、扭曲、反彈和放大，並在百萬分之五秒內透過 60,000 個控制點進行調製。
“如果你看過最近的《星際迷航》電影，這就是他們裝載光子魚雷的地方，”鄧恩說，他指的是開關站，建築物的這一部分將雷射引導到各自的路徑。
200 萬焦耳的紫外雷射能量隨後會聚在一個圓柱形目標上，該目標被稱為“黑腔”（hohlraum），這個詞在德語中是“空腔”的意思。裡面是一個微小的氘和氚顆粒。這裡的目標是壓縮球體以觸發聚變，而不會使其變形或擠出，這對於工程師來說是一個棘手的問題，他們正試圖透過計算機模擬以及反覆試驗來提高產量。
NIF 的科學家最近暗示，他們已經設法從燃料中獲得的能量多於擊中燃料的能量。這是一項重大成就，但由於效率低下和損失，這仍然遠未達到用於產生光能的能量，而光能才是點火閾值 (ClimateWire, 10 月 15 日)。
另一種主要替代方案是磁約束。由於聚變的執行溫度高達數億攝氏度，比任何已知材料所能承受的溫度都高，工程師們發現他們可以使用磁場在這些溫度下約束等離子體——一種中性導電的高能量物質狀態。
最常見的方法是用強大的磁體圍繞一個環形容器（類似於甜甜圈）進行約束，這種裝置稱為託卡馬克。在普林斯頓等離子體物理實驗室，工程師們目前正在升級國家球面託卡馬克實驗裝置，這是該實驗室的主要聚變專案。
“當聚變技術實現商業化時，它將具有一系列令人驚歎的特性，”等離子體實驗室主任斯圖爾特·普拉格說。該反應產生零排放，不會爆炸或引發失控事件。由於它一半的燃料來自海水，因此足夠人類使用數百萬年。
磁約束聚變的目標是產生大約是約束等離子體所需能量 10 倍的能量。“我們已經取得了巨大的進展，”普拉格說。“我們已準備好從一個以科學為基礎的專案轉變為一個真正以能源為基礎的專案。”
這將在國際熱核聚變實驗堆（ITER）中體現出來，ITER 是世界上最大的託卡馬克裝置，目前正在法國建設中。“我們有時說 ITER 將是第一個燃燒等離子體實驗，”普拉格說。
“尚未到選擇贏家的時候”
ITER 通訊主管米歇爾·克萊森斯也贊同普拉格的觀點。“我們並非從零開始；ITER 只是最大的一個，”克萊森斯說。“我們的目標是展示聚變能源的技術可行性。”
該專案源於 1985 年裡根總統和蘇聯總書記米哈伊爾·戈爾巴喬夫之間的一次會議，目的是開發聚變能，前提是任何國家都無法獨自面對世界能源挑戰。歐盟和其他幾個國家的政府正在為這項事業貢獻資金、裝置和資源，最終成本可能超過 130 億歐元（176 億美元）。
“由於捐款是以實物形式提供的，而且成員沒有義務告訴我們他們的成本，因此我們永遠不會有 ITER 的詳細成本，”克萊森斯說，並補充說，參與者可能必須等到 2027 年才能確定這是否是一種改變遊戲規則的能源，或者只是有史以來最昂貴的燒水方式。
NIF 還在開發一種商用發電機，即雷射慣性聚變能源工廠。該工廠不使用水來傳遞熱量，而是使用鋰。當受到中子撞擊時，它會產生氚，這是你無法從海洋中獲得的燃料成分。
據鄧恩稱，它的執行方式更像內燃機，而不是反應堆：注入燃料，壓縮燃料，點燃燃料並排出殘渣。
儘管慣性聚變和磁約束聚變科學家之間存在一些競爭，但普拉格表示，兩者都值得支援。“解決氣候變化的需求非常迫切，以至於我們希望追求所有有希望的方法，”他說。“我們尚未到選擇贏家的時候。我認為兩者都應該繼續進行。”
即使 NIF 的研究人員每晚都在逐步提高能量產量，但在外面，另一個聚變反應堆每天早上都會在利弗莫爾山谷周圍山丘上的風力渦輪機之間升起，在地平線上嘲諷著他們。無論他們認為自己離點火有多近，太陽都領先了 45 億年。
經 Environment & Energy Publishing, LLC 許可，轉載自 Climatewire。www.eenews.net, 202-628-6500