以下是点燃可扩展聚变能力所需的条件

人们越来越意识到，开发实用的聚变能源不再是“如果”而是“何时”。

科学家们对核聚变的看法在 2022 年发生了永远的改变，一些人称之为本世纪的实验首次证明核聚变可以成为一种可行的清洁能源。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的实验显示了点火：聚变反应产生的能量多于输入的能量。

但在核聚变规模扩大成为安全、经济、几乎无限的清洁能源之前，必须解决一系列工程挑战。换句话说，现在是工程时间。

作为几十年来一直致力于核聚变基础科学和应用工程的工程师，我们已经看到聚变科学和物理学在过去十年中趋于成熟。

但为了使核聚变成为可行的商业电力来源，工程师现在必须解决许多实际挑战。美国能否抓住这一机遇并成为聚变能源领域的全球领导者，部分取决于该国愿意投资多少来解决这些实际问题——特别是通过公私合作伙伴关系。

建造聚变反应堆

当两种氢原子（氘和氚）在极端条件下碰撞时，就会发生聚变。通过加热至1.8 亿华氏度（1 亿摄氏度），这两个原子实际上融合成一个原子，比太阳核心热 10 倍。为了使这些反应发生，聚变能源基础设施将需要承受这些极端条件。

在实验室中实现聚变有两种方法：惯性约束聚变（使用强大的激光）和磁约束聚变（使用强大的磁铁）。

虽然“本世纪的实验”使用的是惯性约束聚变，但磁约束聚变尚未证明它可以在能源产生方面实现收支平衡。

这两种核聚变方法都面临着一系列挑战，克服这些挑战的成本并不低。例如，研究人员需要开发能够承受极端温度和辐照条件的新材料。

生产足够的燃料并可持续地生产也是一个重要的挑战。氘含量丰富，可以从普通水中提取。但事实证明，提高通常由锂生产的氚的产量将困难得多。单个聚变反应堆每天需要数百克到一公斤（2.2 磅）的氚才能运行。

目前，传统核反应堆生产氚作为裂变副产品，但这些不足以维持一系列聚变反应堆。

因此，工程师需要开发在聚变装置本身内生产氚的能力。这可能需要用含锂材料包围聚变反应堆，反应会将其转化为氚。

为了扩大惯性聚变的规模，工程师需要开发能够每秒多次击中由冷冻氘和氚制成的聚变燃料目标的激光器。但目前还没有激光的威力足以以这样的速度做到这一点。工程师还需要开发控制系统和算法，以极高的精度将这些激光引导到目标上。

法哈特·贝格的研究小组计划使用一种激光装置来反复击中聚变燃料目标。实验的目的是更好地控制目标的放置和跟踪。用于拍照的彩色凝胶发出红色灯光。大卫·贝洛特/加州大学圣地亚哥分校

此外，工程师还需要将靶材的生产规模扩大几个数量级：从每年手工制作数百个、每个标价数十万美元到每个仅花费几美元的数百万个。

对于磁遏制，工程师和材料科学家将需要开发更有效的方法来加热和控制等离子体，以及用于反应器壁的更耐热和耐辐射的材料。用于加热和限制等离子体直至原子融合的技术需要可靠运行多年。

这些是一些重大挑战。它们很艰难，但并非不可克服。

全球私营公司的投资有所增加——这些可能将继续成为推动聚变研究向前发展的重要因素。过去五年来，私营企业吸引了超过70亿美元的私人投资。

几家初创公司正在开发不同的技术和反应堆设计，目标是在未来几十年内将核聚变纳入电网。大多数总部位于美国，也有一些位于欧洲和亚洲。

尽管私营部门投资有所增长，但迄今为止，美国政府在聚变技术的发展中继续发挥着关键作用。我们预计未来将继续这样做。

2000年代中期，美国能源部投资约30亿美元在劳伦斯利弗莫尔国家实验室建造国家点火装置，12年后“世纪实验”在这里进行。

2023 年，能源部宣布了一项为期 4 年、耗资 4200 万美元的计划，旨在开发该技术的聚变中心。尽管这笔资金很重要，但它可能不足以解决美国成为实用聚变能源全球领导者所面临的最重要挑战。

在这个领域建立政府和私营公司之间的伙伴关系的一种方法可能是建立类似于NASA 和 SpaceX 之间的关系。作为 NASA 的商业合作伙伴之一，SpaceX 获得政府和私人资金来开发 NASA 可以使用的技术。它是第一家将宇航员送入太空和国际空间站的私营公司。

与许多其他研究人员一样，我们持谨慎乐观的态度。新的实验和理论结果、新工具和私营部门投资都让我们越来越意识到，开发实用的聚变能源不再是“如果”而是“何时”。

本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。

这篇文章首先出现在SingularityHub上。