在我參觀美國桑迪亞國家實驗室和通用聚變公司時，通用聚變公司首席技術官邁克爾·德拉奇說，“我們會在有生之年做到這一點。核聚變將成為未來數千年中我們使用的能源。”

在有記載的整個歷史中，人類始終在膜拜核聚變。幾千年來，它有過不同的名字：埃及人稱之為“拉”，希臘人稱之為“赫利俄斯”，阿茲特克人稱之為“託納蒂烏”。

現在，大多數人都知道，太陽內部發生的就是核聚變，但全世界的物理學家仍像古老的人類祖先一樣，對它充滿了敬畏之情。倒不是因為物理學家相信，太陽乘坐巨大的蘆葦船劃過天空，準備隨時懲罰我們這些凡人，而是因為他們知道，太陽蘊藏著一個秘密：幾乎無窮無盡的清潔能源。

每秒鐘都有數萬億個氫離子在1500萬攝氏度的超緻密太陽核中發生聚變。太陽的超強引力迫使氫原子的質子擠在一起，結合成更重的原子（氦），釋放出巨大能量。這個過程被稱為核聚變。

雖然位於恆星核的天然核聚變反應堆在宇宙中多不勝數，但在地球上卻難以重現核聚變過程。這是因為太陽自身的引力能夠把炙熱稠密的等離子體約束在太陽核內，而要在地球上將少量的氫等離子體約束在容器內，哪怕只持續百分之幾秒，對工程師和物理學家來說，也極為困難。

如果驅動太陽核聚變反應的過程在地球上得以重現，這將成為人類歷史上最重要的事件之一。

核聚變電站可以終結我們對化石燃料的依賴，提供高效的清潔能源，而且幾乎取之不盡用之不竭。它還有助於解決發展中國家的能源危機和貧困問題，為大型海水淡化廠提供電力，消除水資源短缺。核聚變電站還可以改變地球之外的人類生活，為月球和火星居住地、甚至星際飛船提供能源。

當然，這一切的前提是我們能造出核聚變反應堆。

我前往了兩處在全球居於領先的核聚變研究中心——美國新墨西哥州的桑迪亞國家實驗室和溫哥華市郊的通用聚變公司（General Fusion），我想知道，我們距離核聚變能還有多遠。

在桑迪亞國家實驗室，很多物理學家都把核聚變研究視為一門探索性科學，一種我們剛剛才開始瞭解的現象，即便我們已對此進行了半個世紀的研究。另一方面，通用聚變公司的研究人員並沒有坐等核聚變的到來，他們正積極努力，試圖把核聚變電站變為現實。

到目前為止，讓核聚變系統產生的能源超過其消耗的能源，對核物理學家來說，這仍然是一個遙遠的目標。

主要難點在於，要弄清如何建立並維持極端的環境，把等離子體約束在核聚變反應堆的核心內。

在這方面，桑迪亞國家實驗室和通用聚變公司都已取得突破性進展，在80年前開始上演的一場大戲中成為了當仁不讓的主角。1932年，澳洲物理學家馬克·奧利芬特（Mark Oliphant）拉開了這場大戲的帷幕，首次實現人工核聚變。

“核聚變將成為未來數千年中我們使用的能源。我們認為，我們會在有生之年做到這一點。”

此後，製造核聚變反應堆就成為了物理學界的一個夢想。

事實證明，這比20世紀初核聚變先驅們預料的更加困難，由此也產生了核物理學圈子流傳的一個笑話：核聚變距離實現總是差了30年。

上個世紀時，美國的絕大多數核聚變研究都是由政府主導，在能源部的國家實驗室裡秘密進行。那時，核聚變研究與國家安全緊密掛鉤。起初，物理學家主要是想利用核聚變能量來製造核武器。雖然從未造出純粹的核聚變炸彈，但核聚變能量被新增到裂變-聚變熱核武器中（俗稱氫彈），其威力比以前的裂變核武器（原子彈）要大得多。

雖然核聚變創造了世界上最危險的武器，但如今在美國，政府資助的核聚變研究越來越重視對核武器的有效管理。過去20年裡，私人資本也大量湧入了核聚變反應堆研發領域，一些企業利用政府資助的核聚變研究成果，希望第一個建成核聚變電站。風險很大——研究花費驚人，而且幾十年都賺不了錢——但潛在回報更大。

Z機

在新墨西哥州阿爾布開克市郊外，有一片佔地8700英畝、其貌不揚的建築群，被鐵絲網圍了起來，還有其他很多肉眼看不見的安保措施。每天早上，汽車都會在大門前排起長龍，綿延數里，員工在那裡等待全副武裝的保安給他們安檢，然後才能進去。

這裡是桑迪亞國家實驗室，美國國家核安全管理局負責的三個國家實驗室之一。

該實驗室是柯特蘭核武器綜合設施的一部分，後者還包括空軍核武器中心以及美國最大的核武庫之一。可以說，柯特蘭核武器綜合設施是美國核能力最重要的組成部分，因而也代表著美國全部的國家安全力量。

由於工作的敏感性，桑迪亞國家實驗室的大部分建築都只有數字標識，但存放世界上最強大X射線源的那棟建築卻有一個名字：Z脈衝功率裝置。

技術人員在打靶結束後檢查Z機

我和陪同人員來到Z裝置的時候，接待我的是Z機專案高階經理邁克爾·庫尼奧（Michael Cuneo）。在他幾十年的職業生涯中，主要的工作就是將世界上最強大的鐳射射向硬幣大小的靶子，以引發聚變反應。那天早上，庫尼奧的興奮之情溢於言表，迫不及待地把我和陪同人員帶入了房間。

“你來得剛好。”庫尼奧說，“我們正要打靶。”

Z機佔用了一間大倉庫，倉庫中央是一間真空室，輕而易舉就能裝下一輛SUV。真空室裡放著一個主要由氘（氫的同位素）製成的靶子，大小如同一枚硬幣。真空室周圍有兩條溝槽，分別盛有水和油。溝槽的作用是讓連線巨大電容組的電纜處於絕緣狀態。電容組基本上就相當於Z機的電池。

這些電容器的電量足以為100多戶家庭提供幾分鐘的照明，而它們每天最多隻需充電一次。這股能量被壓縮，一次性射向真空室裡的那個靶子。每一發都是閃電電能的1000倍，而且速度比閃電快2萬倍。

在一次實驗期間，電流在環繞Z機中心的水池周圍蔓延

這股電能射在靶子上，使靶原子爆炸，導致電子與原子核分離，將靶子變成等離子體，產生強大的磁場，迫使原子核以大約每秒4828公里的速度向內運動，由此產生的結果就是聚變反應以及巨大的X射線能量。

隨著打靶時間日益臨近，技術人員在存放Z機的房間裡匆忙地進進出出，做著最後的除錯。Z機每天只打靶一次，一些物理學家不得不等待幾周甚至數月，才有機會使用Z機進行自己的研究，因此在每次打靶前，都必須保證萬無一失。

在最後一位技術人員離開Z機後，門被鎖上，過道里一盞橙色的燈開始閃爍，提醒大家即將打靶。我們在控制室裡聽到一聲巨響，燈光一度變暗，感覺地板都在震動。又一天，又一次成功的Z機實驗。

Z機旁邊的邁克爾·庫尼奧

這種製造核聚變的方法被稱為磁化靶聚變（MTF）。

在等待技術人員清理Z機、確保我們可以安全進入的時候，我問庫尼奧，剛才進行的是什麼實驗？

庫尼奧回答說，這是在模擬核爆中心處的環境。

但出於國家安全的原因，他不能細說。

用Z機進行的很多研究都是出於類似目的，但物理學家也用它來模擬更加奇特的場景。例如今年早些時候，人們利用Z機研究了黑洞周圍等離子體的性質，結果推翻了長久以來的傳統理論。

邁克爾·庫尼奧站在Z機上

庫尼奧說，Z機並不會用來製造可擴充套件的核聚變反應堆。

“Z機是單發裝置。”庫尼奧說，“要實現核聚變能，必須讓該裝置重複地產生脈衝。但這不是我們的工作。”

Z機創造的核聚變環境只能持續幾毫秒。如果用這種製造核聚變的方法來建造核聚變電站，現在每天一次的打靶不僅必須晝夜不停地連續快速進行，還必須對聚變反應產生的能量加以利用和分配。而按照庫尼奧的說法，即使桑迪亞國家實驗室想製造脈衝核聚變反應堆，Z機也無法達到核聚變反應堆所需的能量收支平衡點。

在追求核聚變能的道路上，有兩個重大挑戰需要克服。

一是科學上的平衡，即聚變反應釋放的能量相當於創造聚變反應的等離子體所需要獲得的能量。

二是庫尼奧所說的“工程上的平衡”，即核聚變反應堆能夠進行擴充套件，使聚變反應產生的能量相當於整個裝置製造聚變反應所需的能量。

迄今為止，在全世界的研究實驗室中，只有美國加州的國家點火裝置（NIF）使聚變反應實現了科學上的平衡。

“這是一項巨大的成就。”庫尼奧說，“這方面，Z機大概只做到了1%的平衡。我們希望未來五年內，能實現科學上的平衡。”

而實現工程上的平衡，難度則要大得多，需要核聚變反應堆足夠大，產生的能量足夠多，以彌補核聚變反應堆消耗的能量。做到了這一點，接下來的重大挑戰是讓聚變反應產生足夠多的淨能量，這樣在將核聚變反應堆與電網相連時，其效益才會大於成本。

由於涉及一系列科學難題，庫尼奧很懷疑我們能不能在2050年前看到核聚變能併入電網。但過去十年間，一些私人企業紛紛加入到建造核聚變電站的激烈競爭中。

通用聚變公司的技術人員正在焊接等離子體注入器的一個部件

通用聚變公司

通用聚變公司坐落在加拿大溫哥華的一個輕工產業園。站在外面，你根本想不到物理學家會在這個地方進行高深的核聚變研究。但走進裡面，你會發現這個地方一片繁忙景象，幾十位穿著紅色實驗服的工程師和技術人員在一臺臺神秘莫測的巨大機器旁忙碌著。

我被帶進了一間裡屋，通用聚變公司首席技術官邁克爾·德拉奇（Michael Delage）正站在一個巨大的金屬球前面。金屬球上有很多活塞，朝各個方向伸了出來。他介紹說，這是球形馬克，一個按比例縮小的原型裝置，該公司希望有朝一日，這種裝置將成為現實版核聚變電站的核心。同桑迪亞國家實驗室一樣，通用聚變公司也把磁化靶聚變作為讓核聚變反應堆產生淨能量的最可行方案，但二者的主要區別在於後者實現這一目標的方法。

那個金屬球是通用聚變公司計劃建造的核聚變反應堆的兩個主要部件之一，另一個是等離子體注入器。該反應堆的執行原理是：大量的鉛-鋰液態金屬被注入球體，透過旋轉形成漩渦。在等離子體注入器中，氘-氚氣體在瞬間遭遇巨大電能，被加熱到大約500萬攝氏度，形成一個等離子體。然後，這個等離子體被磁化，形成環狀，接著注入球體，被約束在液態金屬漩渦中央的空腔。

等離子體被注入漩渦時，球體上的活塞全部啟動，同時撞擊球體，產生的聲震衝擊波導致等離子體周圍的液態金屬內陷，壓縮等離子體，使之達到近1.5億攝氏度，從而促成聚變反應。

聚變反應釋放的能量將加熱等離子體周圍的液態金屬，加熱後的液態金屬被用來產生蒸汽，推動渦輪機發電，就像如今那些普通的核裂變電站一樣。

通用聚變公司的工程師正在檢視SPECTOR等離子體注入器

此類核聚變反應堆的設計理念在上世紀70年代時首次出現，由美國海軍研究實驗室在LINUS計劃中率先提出。自2002年成立以來，通用聚變公司一直在利用隨後誕生的先進技術，來改善這一設計。該公司的商用核聚變電站構想在設計上非常巧妙，但到目前為止，它還沒能造出可執行的原型裝置。

商用核聚變反應堆的主要障礙，是如何約束和維持聚變反應所需的等離子體。

太陽自身的引力可以把等離子體約束在太陽核內，但就算是地球上最堅固的材料，也無法承受創造等離子體時所產生的極端溫度和壓力。桑迪亞國家實驗室的解決辦法是利用燃料靶被巨大能量擊中時產生的磁場，來約束等離子體。

同樣，通用聚變公司也是利用強大的磁場來約束等離子體，但它形成磁場的方法略有不同。

它先後嘗試過15種不同的等離子體注入器設計方案。

今年早些時候，通用聚變公司宣佈，其小型實驗性等離子體注入器SPECTOR的等離子體維持時間足以讓注入器與壓縮系統接軌。該公司今年5月表示，三到五年內有望建成可執行的核聚變反應堆原型。至於原型建成後還要多久才能讓核聚變反應堆產生淨能量，德拉奇只能無奈地聳聳肩。

“在這個領域，最難回答的問題就是‘多久’。”德拉奇說，“雖然實現核聚變的時間難以預測，但我們樂觀地認為，未來四到五年，我們可以把那些子系統整合成一個完整的大型系統。”

通用聚變公司的工程師正在檢視SPECTOR等離子體注入器

兩個核聚變反應堆的故事

德拉奇坦言，要是沒有政府實驗室幾十年來的基礎研究，通用聚變公司為建造商用核聚變電站所做的這些工作就無法開展。問題在於，這些工作是否有希望創造出能產生淨能量、可併入電網的核聚變反應堆？

時至今日，作為核聚變能研究先驅的政府實驗室，仍然沒有真正致力於把核聚變能投入實用。庫尼奧說，原因之一在於，很多國家實驗室正面臨預算緊縮，而這類研究的風險與回報偏偏不成比例。另一個原因是政府部門的大多數物理學家覺得，在目前情況下試圖建造商用核聚變反應堆是譁眾取寵之舉。

不管是設施還是經費，國家實驗室都強於融資狀況最好的核聚變初創公司，但只有一個國家實驗室在核聚變方面實現了科學上的平衡。這離工程上的平衡還非常遙遠，產生淨能量更是遙遙無期。在這種情況下試圖建造核聚變電站，說好聽點是過於樂觀，說難聽點就是愚蠢莽撞。

但正是這些高風險的努力吸引了希望獲得巨大投資回報的風投人士。

德拉奇說，通用聚變公司在成立後的13年間，共獲得約1億美元的投資。相比之下，Z機每年的預算經費是1.11億美元。在創業圈，1億美元的投資不足為奇，但放到核聚變研究上，就大為不同了。正是這種資金上的差距才使通用聚變公司取得的成績令人刮目相看。

Z機技術人員正在檢查容納真空室部件的裝置

雖然通用聚變公司尚未實現核聚變，更不用說科學上或工程上的平衡，但考慮到其預算與Z這樣的政府設施相差甚遠，該公司在核聚變反應堆子系統方面的工作可以說是非常成功了。

下一步是把子系統結合起來，建成可執行的核聚變反應堆，然後不斷最佳化，直至實現科學上和工程上的平衡，最終創造出能產生淨能量的核聚變反應堆。屆時，核聚變反應堆可以併入電網，提供幾乎無窮無盡的清潔能源。

但庫尼奧和德拉奇都指出，即使到了那個時候，要改變全球能源體系，也還是需要一段時間。

“能源過渡需要很長時間。”庫尼奧說，“即使現在就有一座切實可行、擁有合法執照的核聚變電站，你仍然需要40年時間來建造足夠數量的電站，這樣才能帶來改變——何況我們現在距離切實可行的核聚變能技術也許還有三四十年的差距。”

而且，即便有了切實可行、可擴充套件的核聚變反應堆，也無法完全肯定核聚變能不會辜負其作為“無窮盡清潔”能源的名聲。

目前，桑迪亞國家實驗室和通用聚變公司計劃把比例為50:50的氘-氚作為核聚變反應堆的燃料（桑迪亞國家實驗室現在使用氘比重超過99%的燃料電池，但已開始將氚逐漸用於今後的實驗）。這種氘-氚混合燃料釋放的中子數是單純氘燃料的90倍，每個中子攜帶4倍的能量。

把氚這種最重的氫同位素作為聚變燃料，雖然將產生更多的能量，但庫尼奧認為，如果在電站中大規模使用，這未必是一種完全清潔的燃料。氘可以用海水輕易製取，但製取氚就更加困難，需要大量的鋰來生產。

如今，全世界可用的氚只有大約20千克。

德拉奇站在通用聚變公司的壓縮子單元原型上

“我們尚未對封閉的核聚變燃料迴圈進行論證。”庫尼奧說，“如果我們能用一批核聚變反應堆創造出一種聚變經濟，那會是氚經濟。你需要建造氚生產廠、增殖和處理設施以及長長的管道，就像打造天然氣產業一樣。這一切都還沒有進行規模論證。”

不同於庫尼奧的謹慎預測，通用聚變公司表現得更為樂觀，這既是因為該公司迄今已取得了一些成功，還有一個原因在於，它必須樂觀才行。

畢竟，通用聚變公司依賴於投資者提供的資金，其中包括亞馬遜CEO傑夫·貝索斯（Jeff Bezos）和馬來西亞政府，他們肯定希望自己的投資能獲得一些回報。大多數風投人不想等50多年才看到回報，這意味著，通用聚變公司必須與時間賽跑。如果無法實現核聚變，其研究沒有帶來回報，那麼到了某個時候，投資者將不再投錢給這個專案。

“就能源而言，人類經歷了從燒柴到燒煤、從天然氣到核能、從風能到太陽能的過程。”德拉奇說，“核聚變將成為未來數千年中我們使用的能源。我們認為，我們會在有生之年做到這一點。”

即使通用聚變公司沒有成功，世界上還有其他幾十個由數千名科學家參與的專案也在競相開發切實可行的核聚變能。

在民間核聚變反應堆領域，美國Tri Alpha公司和英國Tokamak Energy公司已經可以在他們的反應堆內產生和維持等離子體，儘管他們引發聚變反應的方法完全不同。Tri Alpha的方案是基於對撞束聚變，也就是參與聚變的粒子在粒子加速器裡以極高的速度相撞，從而引發聚變反應。Tokamak Energy使用的是託卡馬克反應堆，這是一個巨大的環形裝置，利用磁場來維持等離子體。

舊版的通用聚變公司等離子體注入器

雖然私人企業取得的這些成績引人注目，但很多物理學家還是把他們對核聚變能的希望寄託於國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃上。這個規模空前的國際核聚變實驗計劃已經醞釀了幾十年，預計耗資500億美元。從本質上說，ITER就是一個巨大的託卡馬克裝置，該計劃由時任美國總統的羅納德·里根和前蘇聯領導人戈爾巴喬夫在1985年的一次峰會上首次提出。過去30年間，由於資金問題和成員國之間的政治紛爭，ITER計劃推進緩慢。

ITER從2013年開始修建，已籌集到140億美元的建造費用，預計將在2025年啟動等離子體約束實驗。ITER的支持者稱，建成後，該設施每次可執行50分鐘，輸出功率達500兆瓦。這是一項極高的要求，要知道，核聚變輸出功率的世界紀錄是英國JET反應堆在1997年創下的16兆瓦，最長的等離子體維持時間是法國Tore Supra在2003年創下的6.5分鐘。

儘管勝算不大，普遍存在的樂觀情緒或許也缺乏根據，但庫尼奧仍然認為，實現核聚變能值得人們為之努力，不管是在哪個領域，包括私營部門。

“核聚變能的時間表漫漫無期，難免會讓人感到灰心喪氣或者悲觀懷疑。”庫尼奧說，“但如果它是一種清潔且寶貴的能源，就值得去做，值得去投資。核聚變很難，所以我認為，所有可能的方法都不應該放過，這是我們的國家必須要做的事情。”

翻譯：于波

核能源是無限能源，也是清潔能源。

不過這種最高等級的能源，我覺得人類還不能有效控制它。

想要有效的商業運用，需要的時間應該特別長，因為需要的溫度特別高，能達到上億攝氏度，大自然能承受如此高溫的材料應該難以尋覓。

所以，在一定程度上，對材料科學等其他科學要求也是挺高的。

原子彈應用的就是核裂變原理；比原子彈威力更大的氫彈，則利用核聚變來發揮作用。

所以，目前只能用來造原子彈。

最難的困難問題就是聚變產生的快中子會帶走能量，會破壞容器。其次就是磁場約束等離子體理論上是非線性不穩定，理論上任何磁場設計都難以長期維持約束。 這兩個問題還沒有人敢碰。

目前人類所有研究都專注於技術有可能實現的兩個小目標：1. 實現可控點火。 2. 約束高溫等離子體百秒。