物理学家希望像恒星一样创造能量。这两种方法是他们最好的选择。

上周，政界人士和领导人齐聚格拉斯哥，参加 COP26 会议，商讨可能缓解气候危机的政策。由于对能源的需求加剧了这场危机，人们可能忍不住想看看炽热的太阳，我们是否可以做它能做的事情——即核聚变。

几十年来，科学家们一直在努力实现核聚变。然而，真正做到这一点需要克服大量的后勤挑战。尽管核聚变是一门进展缓慢的科学，但科学家们正一步步接近实现这一梦想。

他们把精力集中在两种类型的聚变反应堆上。一种方法规模较大，试图在房间大小的腔室中触发聚变。另一种方法规模较小，试图在针头大小的球体中实现同样的效果。但最终，这两种方法都试图模拟太阳中发生的情形。

我们的恒星通过聚变氢原子产生巨大的热量和耀眼的光芒，氢原子聚变后会形成氦和令人难以置信的能量。这正是聚变研究人员的最终目标：如果我们能在地球上创造一颗恒星的哪怕一个苍白的影子，那也将为获得大量清洁能源打开大门。

这是两种最有前景的方法。

走向更大

由于太阳中心的极端条件，氢原子可以轻易聚变。在数千万度的高温下，原子可以克服电磁力，自然地将它们分开。它们聚变。该反应不会产生温室气体。

在这样的温度下，原子会变得非常热，以至于它们会失去电子，变成一团滚烫的带电粒子汤，称为等离子体。通过施加电场和磁场，科学家可以操纵和搅拌这种“汤”。

在地球上制造等离子体是可行的。但这只是第一步。接下来，物理学家必须将等离子体压缩到足够高的密度。一种方法是将等离子体放入严酷的磁笼中。这被称为磁约束聚变。

这种方法最著名的容器是托卡马克：一个环形的腔室，通常与中型房间一样大。腔室壁上装有强力磁铁，有助于将等离子体聚集起来，直到其密度达到足以进行聚变的程度。

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核聚变的长期目标是达到“点火”阈值，即反应堆输出的能量超过启动所需的能量，这是核聚变发电厂可行的必要基准。但尽管磁约束核聚变自 20 世纪 50 年代就已出现，但迄今为止，还没有反应堆接近该标准。

但科学家们希望，这一天可能就在眼前。正在建设中的国际热核聚变实验反应堆（ITER）坐落在法国南部的山丘上，是世界上迄今为止最大、最强大的托卡马克装置。它的托卡马克装置将比目前最大的托卡马克装置大十倍。ITER 装置经过十多年的筹备，希望在 2025 年开始运行。它被称为有史以来最昂贵的科学实验。

规模变小

2021 年 8 月，在距离法国不远的地球另一边，另一种反应正在进行中。在位于加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置 (NIF)，科学家宣布他们已经进行了效率极高的聚变，几乎达到了点火状态。

NIF 的成功实验中没有托卡马克。相反，NIF 使用一种称为惯性约束聚变的反应。这依赖于取一小块氢燃料颗粒（通常为针头大小），并用强大的冲击波震动它。当这些冲击波冲刷颗粒时，它们会压缩并炙烤内部的氢，使其压力和温度足以启动聚变。

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物理学家可以用多种方式制造冲击波，但几乎所有方法都依赖于将高能激光瞄准弹丸。一些设施直接用激光轰击弹丸。相反，NIF 将激光的能量转换成 X 射线，然后 X 射线撞击弹丸。

这需要更多的能量，但也使装置不那么精密，更易于管理，因为科学家可以有更多操作空间。“压缩这些东西的过程……非常棘手。一切都必须非常非常精确，”NIF 主任 Doug Larson 说。

NIF 及其对应装置可以产生巨大的压力，超过托卡马克所能达到的压力，但托卡马克中的压力持续时间更长。

“在 NIF 上，我们可以创造出高达一千亿个大气压的压力——非常、非常疯狂的极端压力——但这些东西在我们的目标室中存在的时间只有万亿分之一秒，”Larson 说。

NIF 是唯一一个同等规模的惯性约束聚变设施，不过其他同类设施，例如法国波尔多的激光兆焦耳设施和中国拟建的神光四号设施，有朝一日可能会与其匹敌。

核聚变的前景更加光明吗？

物理学家表示，这是核聚变领域激动人心的时刻。“在过去的一年里，很多理解已经汇集在一起​​，进展确实加快了”，Larson 说。

聚变反应堆有望提供近乎无限的电力——但它们远非立即解决气候危机的良方。例如，NIF 8 月份的实验依赖于一种每隔几小时就能脉冲一次的激光器。但 Larson 表示，惯性约束聚变发电厂要想实现商业可行性，这种激光器就需要每隔几秒发射一次。NIF 计划升级这种激光器。

至于法国正在建造的巨型托卡马克 ITER，它只是实现核聚变发电的中间步骤。它的建造者希望从 ITER 获得的知识能够改进下一代核聚变反应堆，即示范核聚变发电厂（DEMO）。他们希望 DEMO 能够将核聚变带给人们。这些发电厂要到 2030 年代才会开始建设。