2024年2月，位于美国加利福尼亚州利弗莫尔的国家点火装置（NIF）启动192束激光，向一个比人的小指尖还小的金制容器注入了2.2 MJ的能量，将其加热至三百万摄氏度以上（
图1）[
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4]。容器内部是一个装有氚和氘的微小燃料舱，该燃料舱以超过400 km·s
-1的速度内爆，促使原子发生聚变反应并释放出5.2 MJ的能量[
1‒
4]。
该实验产生的能量比激光输入的能量高出近2.4倍[
1]，创下了新的纪录。这一成就是隶属于美国能源部（DOE）劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的NIF在核聚变领域取得的一系列首创中的最新一项。2022年12月，NIF首次触发了研究人员称为能量增益（energy gain）的聚变反应，反应产生的能量超过了引发反应所需的能量[
3]。威廉与玛丽学院（美国弗吉尼亚州威廉斯堡）物理学副教授Saskia Mordijck研究核聚变但未参与此项研究，她表示：“哪怕只能成功一次，那也是至关重要的。长久以来，人们一直在努力尝试并奋力争取实现它。”
NIF现已多次复制这一壮举，仅在2023年就至少成功了三次[
5]。尽管引人注目，但这些成果也具有一定偶然性。“NIF的建造初衷是产生燃烧等离子体，目的是用于核武器试验，并非为了发电。”美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校能源研究中心科学家Christopher Holland说。
这项突破也伴随着一些限制条件。能量计算并未包括启动NIF激光器所需的350 MJ能量（
图2）[
3]。而且，尽管2.4倍的能量增益已是前所未有，但还远不足以使核聚变具备实用性。美国新泽西州普林斯顿大学机械与航天工程副教授、同时任职于美国DOE的普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）从事聚变技术研究的Egemen Kolemen表示，要运行一个真正的聚变设施，总输出能量与输入能量（包括为激光器或其他设备供电的能量）的比率（称为
Q值）必须超过10，甚至可能需要高达30。
尽管如此，NIF的成功只是让研究人员、政府和投资者感到兴奋的众多进展之一。“我们比以往任何时候都更接近”利用核聚变进行发电这一目标，美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院工程学教授Dennis Whyte说。Whyte是试图利用核聚变发电的公司之一Commonwealth Fusion Systems（位于美国马萨诸塞州剑桥市）的联合创始人。在公共部门方面，英国和中国的国家项目计划在未来10~15年内建立试点电厂[
6‒
7]。美国也首次发布了聚变发展路线图，计划在21世纪30年代建成一座试点电厂[
8]。然而，或许更重要的是，除了Commonwealth Fusion Systems公司，还有40多家公司——包括一些采用类似NIF方法的公司——正在追逐聚变能，并已从投资者那里筹集了超过71亿美元的资金[
9]。
然而，所有这些努力究竟能以多快的速度建成既可靠、耐用，又成本低廉到足以与其他能源竞争的聚变工厂，仍然是一个关键问题。“实现最后这点将极其困难。”普林斯顿大学天体物理科学教授、PPPL实验室主任Steven Cowley说。
核聚变需要等离子体，这是一种由离子和电子组成的炽热且难以控制的物质[
10]。“我们在实验室里实现‘聚变’已经几十年了。”Whyte说。NIF更快一步，是首个产生燃烧等离子体的设施。在这种等离子体中，聚变反应提供了维持等离子体所需的大部分能量，这是建设核聚变发电站的必要前提[
11]。
一些聚变初创公司和国家项目正尝试用多种方法产生、维持和控制燃烧等离子体。英国“球形托卡马克能源生产”（STEP）项目在2024年发布了其设计方案，它遵循了一条久经考验的路线——托卡马克[
7]，这一方法也在庞大的、多国资助、耗资数十亿美元的国际热核聚变实验堆（ITER）项目中进行了评估[
12]。托卡马克早在20世纪50年代就已问世，它拥有一个形似甜甜圈或去核苹果的反应室，依靠强大的电磁体来约束等离子体形态并促进聚变反应。STEP设计采用了去核苹果构型，直径约9 m，并融入了最新的技术（如可能降低能耗的高温超导磁体[
7]）以降低成本和提高效率。
至少有四家公司正在研究类似NIF的基于激光的设计[
9]。例如，Xcimer Energy公司（位于美国科罗拉多州丹佛市）希望采用更强大的激光器，这种激光器能将高达20 MJ的能量聚焦到燃料舱上[
13]。这项创新或许能够规避NIF曾面临的一个问题——其燃料舱因必须完美对称而难以制造[
14]。Xcimer公司研发的更强大的激光器能够与更大的燃料舱配合使用，而这种燃料舱也更容易制造出来[
13]。此外，NIF激光器将电能转化为激光能量的效率约为1%，而且该设施每周只能向目标发射激光束约十次，不足以满足商业核聚变的需求[
15]。另一家公司Longview Fusion Energy Systems（位于美国加利福尼亚州奥林达市）计划使用效率达20%、每秒可产生超过一束激光的新型激光器[
15]。该公司表示，由于它采用了与NIF相同的策略，因此无需先建造示范设施来证明该方法的可行性，可以直接进行试点电厂建设[
16]。2024年3月，该公司与总部位于美国得克萨斯州欧文市的工程设计建造公司Fluor签订了建造此类电厂的合同[
16]。
位于美国华盛顿州埃弗里特市的Zap Energy公司正尝试直接利用电能引发聚变[
17]。该策略依赖于一种称为Z箍缩（Z-pinch）的现象，即电流会产生强磁场。产生该磁场的过程包括将气体注入反应室，然后用高达1 MA的电流对其进行冲击，从而形成一个环状等离子体[
18]。随后，这个等离子体“甜甜圈”沿着设备的一个电极加速运动。当等离子体到达电极顶端时，磁场将其压缩，升高其温度并引发核聚变[
19]。聚变产生的能量会加热反应室周围的液态金属（
图3），液态金属随后使水沸腾，产生的蒸汽驱动涡轮机发电[
20]。Zap公司宣扬其方法无需大型、昂贵的磁体来约束等离子体，因此其反应堆可以更小、成本更低。与该公司无关联的Mordijck赞扬了该公司的策略，并表示在初步研究中已取得可喜的成果。最新的测试测得的温度高达3.7 × 10⁷ ℃ [
21]。“他们获得的约束温度表明这是一条可行的道路。”Mordijck说。
总部位于美国华盛顿州埃弗里特市的Helion Energy公司因其获得的巨额投资——超过6亿美元[
9]——及其大胆的声明而备受关注[
22]。Helion公司的设计既不是托卡马克也不是激光器，而是一个被磁体环绕的线性反应室[
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23]。注入器将气体泵入设备的两端，设备加热气体直至其形成环状等离子体。然后，该设备利用磁场将两个等离子体环以约1.6 × 10⁶ km∙h
-1的速度相向加速。公司声称，两个环在设备中心碰撞，同时磁体也对其施加压力，从而引发聚变[
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23]。该公司表示这种方法优于其他反应堆设计，因为该设备可以通过在电感线圈中产生电流的方式直接发电。相比之下，像Zap和托卡马克设计那样，通过加热水产生蒸汽来间接发电效率则较低[
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23]。
近期聚变研究的进展源于一系列科学与工程技术上的进步、计算机建模的改进以及其他关键发展[
12]。如今，研究人员也开始寻求人工智能（AI）的帮助。例如，在2024年发表的两项研究中，Kolemen及其同事报道称，AI能够学会预测和抑制托卡马克内部可能发生的两种不稳定现象。其中一个不稳定现象为边缘能量爆发（edge energy burst），是一种能量激增，可使反应室壁部分区域的温度升高达十倍，可能损坏容器。在一项研究中，研究人员发现，AI算法能够学会优化托卡马克的运行状态，改变等离子体形状和燃料注入速率等变量，以防止边缘能量爆发[
24]。当研究人员在两个托卡马克上测试其AI算法的能力时，发现效率提高了20%~30%。AI还可以抑制一个更严重的问题，即聚变等离子体撕裂不稳定性（fusion plasma tearing instability），在这种不稳定性中，等离子体会挣脱约束它的磁场，导致聚变停止[
25]。然而，Kolemen表示，到目前为止，AI对聚变技术的影响相对有限。“它非常有用。但它改变了游戏规则吗？我认为没有。”
Holland表示，初创公司正在探索多种聚变途径，这一现象具有积极意义。“我看到私营公司敢于承担风险，这非常令人振奋。”如果一些公司宣布的时间表被证明是准确的，那么关于这些风险中哪些（如果有的话）能带来回报的问题，答案可能很快就会揭晓。例如，Commonwealth Fusion Systems公司已经开始建造一个名为SPARC的示范托卡马克，其目标是产生至少十倍于其消耗的能量[
26]。Whyte说，该机器最快可能在2027年开始运行。而且Commonwealth公司已经在着手设计其后续项目，即一个名为ARC的试点电厂。Whyte表示，该电厂将测试聚变能否用于发电，并有望在21世纪30年代初投入使用。
Helion公司宣称其速度还能更快。该公司已与科技巨头微软（Microsoft，位于美国华盛顿州雷德蒙德市）签订了一份提供50 MW电力的合同，并表示将于2028年开始供电[
27]。然而，许多专家质疑这一激进的计划是否可行[
21]。Mordijck说，与该领域许多其他公司不同，Helion公司并没有发表任何论文以证实其方法的有效性。“我们希望他们成功，因为这对整个领域都有益处。”她说道，“但我们又有些担心，因为他们没有遵循传统的科学研究方法。”
如上所述，关键问题在于聚变发电厂何时才能开始提供其长久以来承诺的丰富能源。一旦试点电厂开始发电，一系列新的难题便会随之出现。这些聚变电厂必须证明它们能够像传统发电设施一样稳定供电，还必须证明其耐久性——用于建造聚变电厂的钢材和其他材料尚未经过测试，而且它们能否承受聚变反应产生的中子轰击尚不明确[
12]。Cowley说：“如果其寿命只有三个月，那么用户是不会购买的。”Cowley补充道，降低成本也将至关重要，电力公司可能要到电厂成本降至约60亿美元时才会进行投资。除了耐久性和成本，另一个问题是如何为聚变电站生产足够的氚[
28]。Kolemen预测，考虑到所有这些不确定因素，聚变电站要开始向电网供电，可能至少还需要20年的时间。Cowley表示同意：“在未来很长一段时间内，核聚变都不会在碳减排方面发挥重要作用。”
尽管如此，技术知识的提升、政府和私营部门投资的增加以及公共设施和私营企业所进行的创新等进展，都提高了聚变反应堆研发成功的可能性。“这并不能保证一定能够实现。”Cowley说，但若没有这些努力，“核聚变可能还要再多等40年才能实现”。
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