如果一切按照麥克鄧恩的計畫進行，美國將在下一個十年末建成第一座核融合電站。 正如國家點火裝置雷射聚變能計畫主任所設想的那樣，每秒十六次，一個兩毫米寬的低溫氫膠囊將落入鋼室中，並被 384 束雷射摧毀。 物質將轉化為能量，驅動渦輪機向電網注入高達千兆瓦的清潔電力。
但一切並沒有照計劃進行。 為了可行，聚變發電廠需要產生比消耗的能量更多的能量。 然而，除了核武之外，科學家從未產生過能做到這一點的聚變反應。 半個世紀以來，他們一直在努力實現受控核融合，但都失望了，只是調整他們的理論，重試並再次失望。
加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室耗資 35 億美元建造的國家點火裝置本應結束這種挫敗感。 電腦模擬顯示，用世界上最強大的雷射向氫膠囊發射192 束光束，可在百萬分之一秒內將氫膠囊壓縮至其原始直徑的1/40，相當於將籃球縮小到豌豆大小。 內爆的速度會導致氫燃料在短暫的、自維持的聚變反應中點燃，釋放出一個氦核、一個中子——以及高達雷射傳遞能量 100 倍的能量。
2009年，NIF官員自信地表示，到2012年9月30日，他們將展示產生淨能量的聚變反應，這一里程碑稱為點火。 這個最後期限已經到來又過去了。 雷射的工作原理正如物理學家所希望的那樣，在它應該到達的地方發出強大的衝擊力。 但點火失敗。 由於科學家仍無法解釋的原因，模擬結果偏離了目標。 事實證明，將一個已經很小的氫球體粉碎成一個完美的圓形斑點是出乎意料的困難。
「大自然只想摧毀你，」NIF 聚變副主任約翰愛德華茲 (John Edwards) 說道。
現在，他和其他官員擔心，縮小一個小氫球的難度可能會破壞他們的雷射聚變夢想。 他們的新目標只是弄清楚雷射點火是否可以在 NIF 或任何未來的設施中實現。
如果沒有，那麼聚變能源的唯一可預見的希望就在於 ITER，這是一座耗資 200 億美元在法國建造的設施，使用磁鐵而不是雷射來引發聚變。 儘管面臨著自身的後勤和財務障礙，ITER 物理學家仍希望在 2020 年代末實現點火並開始建造基於磁鐵的聚變發電廠。
未來幾年將是決定 NIF 的雷射方法是否成為能源生產的一種選擇，或者所有核融合的希望是否將轉向海外 ITER 的關鍵。
「我們不知道如何才能點火，」美國能源部 NIF 點火工作專案經理 Kirk Levedahl 說。
星力
NIF 的口號是“將恆星能量帶到地球”，但這對於該設施的建造目的來說是一個相當宏大的描述。 太陽的引力是如此之大，以至於這顆巨大恆星中一秒鐘的核融合所輸出的能量如果轉化為電能，可以滿足地球一百萬年的需求。 沒有機器可以與之競爭。
NIF 的設計初衷是成為下一個最好的東西：一個可以在很小的範圍內實現類似恆星的條件並一次刺激融合的設施。 NIF 將使用世界上最強大的雷射來代替重力，將胡椒大小的氫燃料膠囊壓縮成熱而緻密的球，其體積僅為其原始體積的 1/60,000。 在這個微小的球體內部，一連串的聚變反應將釋放比雷射傳遞的能量多很多倍的能量。
2009 年以前，物理學家從未使用過能量僅為 NIF 百分之一的雷射。 他們從未研究過像太陽核心那樣熱而緻密的球體中的物質。 一個外部審查小組警告說，“實現點火仍然面臨重大的科學挑戰。” 然而，NIF 官員卻有足夠的信心在地上放一根木樁，並聲稱他們將在2012 年9 月之前點燃一個太空艙。負責人喬治·米勒(George Miller) 說。
這種信心很大程度來自於電腦模擬。 這些並不是像電子遊戲那樣對現實的近似。 每個模擬都由超過一百萬行程式碼組成，其中充滿了數字和方程，描述了雷射發射後燃料艙中的原子核將遇到的每一次推拉。 模擬中包含的所有數據均基於經過充分檢驗的理論和嚴格的實驗，包括數百次熱核炸彈爆炸的測量結果。 世界上最快的超級電腦需要幾天或幾週的時間才能得出結果。
許多模擬預測 NIF 的 192 束雷射將輕鬆實現點火。 他們表明，來自各個方向的短而強大的雷射脈衝將壓縮顆粒足以產生比太陽核心更強烈的熱量和壓力，迫使氫核聚集在一起形成高能量氦核和中子。
回報取決於新形成的氦核的命運，氦核將從太空艙中心向各個方向噴射。 如果膠囊像模擬預測的那樣壓縮，那麼氦氣將無法逃脫。 類似於在黑暗中穿過茂密的森林，它很有可能撞上一棵樹，或者在這種情況下撞上一個氫核。 每一次碰撞都會產生熱量，進而促使更多的氫聚變，產生更多的氦。 聚變將短暫地變得自我維持，導致產生的能量大幅躍升。
這一切聽起來不錯，但參與其中的科學家卻持謹慎樂觀的態度。 他們知道任何模擬的效果都取決於其中所包含的資訊。 「每個人都知道這是一個超出我們認為可以推斷的推斷，」萊維達爾說。 “但這是我們當時能做到的最好的。”
艱難的跋涉
2010 年 9 月，預測最終讓位給實驗。 物理學家將 NIF 雷射發射到一個稱為「黑腔」的一公分長的金屬圓柱體上。 快速脈衝刺激黑腔發射X射線，轟擊儲存在內部的塑膠塗層氫燃料膠囊。 太空艙的塗層蒸發爆炸，引發火箭效應，將氫氣送入內部。
所有這些步驟都按計劃進行。 但當太空艙開始塌陷時，奇怪的事情發生了。 膠囊並沒有像模擬預測的那樣保持球形，而是扭曲成無定形的斑點。 物理學家設計了 NIF，從各個方向發射 192 束激光，專門用於在膠囊內爆時保持其對稱性； 然而，壓縮的膠囊看起來更像是被兩隻手擠壓的水氣球。
在其他試運轉期間，膠囊會開始對稱壓縮，但隨後其表面會出現小凸起。 隨著內爆的持續，這些小缺陷呈指數級增長。 太空艙表面的小山丘變成了山脈。 平緩傾斜的槽地變成了陡峭的山谷。 在十億分之一秒之內，一個完美光滑的球看起來更像中世紀騎士的尖刺狼牙棒。
這些令人困惑的早期實驗清楚地表明，點火不會輕易發生。 「結果告訴我們，這將是一場非常艱難的旅程，」萊維達爾說。
物理學家很快就改變了他們的計畫。 在整個 2011 年和 2012 年初，當他們中的許多人預計自己將處於點火的風口浪尖時，他們只是試圖找出問題所在。 他們設計了客製化目標並安裝了監測設備來探測內爆的具體屬性。
NIF 物理學家確定，被擊中的空腔釋放的 X 射線並未均勻地壓縮膠囊內部。 此外，扭曲的膠囊有時會在塌陷時破裂，使外部的冷粒子與內部的熱物質混合，從而使聚變反應短路。
作為回應，NIF 團隊調整了黑腔的設計，並稍微改變了光束的方向，以觸發更對稱的響應。 物理學家也調整了雷射脈衝，使其能夠提供最佳的力道來啟動燃料殼的壓縮。 到 2012 年中期，NIF 在膠囊內爆方面取得了相當大的進展，在保持球形的同時進一步壓縮膠囊。
即便如此，當 2012 年 9 月的最後期限到來時，點火還遠未實現。 根據去年 12 月的報告，當時達到的最高能量輸出最多僅為引發氦碰撞點燃燃料所需的能量的三分之一。
面對意外
穿過曾經是二戰海軍飛行員訓練場的利弗莫爾園區，很難看出 NIF 已經偏離了目標。 主建築群的外部懸掛著一面巨大的「將星際力量帶到地球」的橫幅。 科學家似乎很樂觀，渴望克服核融合不斷為他們帶來的難題。
這是因為，一般來說，物理學既包含正確的內容，也包含錯誤的內容。 物理學家希望他們的理論盡可能準確，但他們也知道他們的理論是不完整的。 辨識意想不到的現像是建構更好理論的關鍵。
NIF 主任愛德華·摩西提到了另一個創紀錄的設施：歐洲的大型強子對撞機，這是世界上最強大的粒子加速器。 這台機器的主要目標是觀察一種稱為希格斯玻色子的粒子。 希格斯粒子是標準模型的基本要素，標準模型是描述宇宙中每個粒子和力的領先理論。 2012年7月4日，物理學家自豪地宣布他們找到了它。
但從那時起，大型強子對撞機物理學家的熱情就大大減弱了。 是的，他們發現了希格斯粒子，但到目前為止，這種粒子看起來與理論所說的一模一樣。 該實驗證實了標準模型，但除非出現任何奇怪的情況，否則物理學家將無法補充和改進該理論。 NIF 物理學家希望他們的模擬能夠更好； 大型強子對撞機的物理學家抱怨他們的結果太好了。
「大自然非常殘酷，」雪城大學的大型強子對撞機物理學家史蒂夫·布魯斯克在一份聲明中說道，這讓人想起愛德華茲的「大自然想要摧毀你」的抱怨。
雖然進展速度令人沮喪，但 NIF 的問題正在幫助物理學家了解物質在比太陽核心更熱、更緻密的環境中的行為方式（SN：2012 年 1 月 14 日，第 14 頁 26）。 摩西說，他們學到的東西將被納入模擬中，從而賦予他們更好的預測能力。 儘管如此，他對這兩個價值數十億美元的設施的比較僅限於此。 LHC 的建立是為了了解宇宙的基本知識，而 NIF 的建立是為了實現點火。 「融合有一種完全不同的動力，」摩西說。
融合的永恆未來
核融合引發了激烈的爭論，這是其他科學努力很少能做到的。 支持者指出，聚變是所有已知能源生產過程中能量最高的，一克氫燃料的能量含量與 13.5 噸煤炭相同。 燃料很容易取得，不存在放射性或對環境有害的廢棄物，也不存在核熔毀的風險。
反對者認為核融合不切實際，而且實現起來成本極高。 想想物理學家嘗試利用這個過程的令人沮喪的歷史。
這項探索始於核武中核融合的首次展示。 1952 年，曼哈頓計畫科學家愛德華·特勒(Edward Teller) 和斯坦尼斯瓦夫·烏拉姆(Stanislaw Ulam) 開發了一種熱核武器，本質上是兩枚炸彈合而為一——失控的裂變反應發出X 射線，壓縮一罐氫原子並迫使它們聚變，釋放出相當於數百萬個氫原子的能量。
1950 年代末，利弗莫爾物理學家約翰·納科爾斯 (John Nuckolls) 將原子彈作為和平應用聚變能的靈感來源。 他意識到，如果他顯著縮小氫罐的尺寸，他就可以在不需要裂變火星塞的情況下引發聚變。 他設想將一個小氫氣膠囊放置在黑腔內。 如果黑腔被大量（但不是核大小）的能量爆發所擊中，它就會發出 X 射線，使氫發生內爆，就像炸彈一樣。
再次開始
1960 年發明的雷射似乎是啟動聚變過程的完美傳遞機制。 從1974 年開始，勞倫斯·利弗莫爾(Lawrence Livermore) 推出了一系列雷射——傑納斯(Janus)、獨眼巨人(Cyclops)、阿格斯(Argus)、濕婆(Shiva)——來測試納科爾斯的想法。 由於雷射技術仍處於起步階段，科學家主要致力於提高雷射射擊的可靠性和完整性。 然後是 Nova，1984 年在利弗莫爾建造的 10 束雷射器，用於實現點火。 儘管許多電腦模擬預測 Nova 會成功，但它從未接近成功。
如果不是比爾·柯林頓總統，對雷射聚變的探索可能就到此為止了。 1993年，他宣布支持全面禁止核子試爆條約，並命令能源部尋找在不引爆任何炸彈的情況下維持核子儲備的方法。 建造一個雷射設施來實現點火可以在不爆炸的情況下測試核武庫的部件——畢竟，納科爾斯最初的想法是基於氫彈的結構。 NIF 被認為是一個國防項目，由國家核安局監督，恰好有利於聚變能研究。
這種國防與能源關係的缺點是，它為本已備受爭議的研究領域增添了另一個恥辱。 去年 9 月，當 NIF 未能在點火期限內完成時，國家核子安全局指出，該設施仍然解決了有關美國核子儲備的幾個棘手的物理問題。 這對美國軍方來說可能是個好消息，但無法確定，因為細節屬於機密。 另一方面，公開數據卻不太令人鼓舞，特別是對於必須證明 NIF 數十億美元標價合理的政客來說。
NIF 物理學家感受到了壓力，但仍捍衛自己的記錄。 「已經取得了巨大的進步，」負責 NIF 黑腔靶材生產的 Alex Hamza 說。 “我認為外部社區不理解這一點。”
國家核安局、加州大學和國家研究委員會最近發布的報告同意哈姆札的評估。 他們引用研究人員自第一次災難性雷射發射以來取得的穩步進展來證明 NIF 可以進一步走向點火。 但報告也得出結論，壓縮問題對於 NIF 甚至任何設施來說可能都難以承受。 NNSA 的既定目標不再是實現點火，而是在 2015 年 9 月之前確定是否可以透過 NIF 的方法實現點火。 同時，該機構減少了專用於點火的雷射發射數量，以支持更多的武器和基礎科學研究。
NRC 建議核融合科學家兩面下注，呼籲加強對替代雷射和目標設計的研究。 例如，紐約羅徹斯特大學的歐米茄雷射正在測試一種直接向氫彈發射而不是向黑腔發射的方法。 利弗莫爾官員曾希望，點火的迅速實現將使科學家和政治家團結起來支持 NIF 的雷射聚變方法； 相反，人們正在分散資源，拼命尋找其他有希望的內爆氫燃料方法。 「事實是，我們現在沒有任何預測能力，」倫敦帝國學院的聚變物理學家 Steve Cowley 說道，他為 NRC 的審查做出了貢獻。 「任何進展都只是猜測。 但這就是您進行測量的原因：它可以讓您了解下一步該做什麼。
考利也指出，使用雷射並不是實現核融合的唯一方法。 許多物理學家贊成 ITER 的替代方法，即使用強大的磁鐵來加熱和限制氫等離子體，儘管這種方法也有其昂貴的令人失望的歷史。 六個國家加上歐盟正在該計畫上花費 200 億美元。 由於 NIF 和 ITER 之間投入了大量資金，未來十年很可能決定聚變能的命運。
這種不確定性仍然沒有阻止麥克鄧恩。 他繼續規劃他的原型聚變發電廠，樂觀地認為他將有機會將他的計劃付諸實踐。 「我從不相信等離子體物理學家預測未來的能力，」他說。 “但我相信他們很快就會渡過難關。”
