即使研究人员能够可靠地从核聚变反应中获得比他们投入的更多的能量，他们仍然需要克服扩大核聚变能的工程挑战。

科学家对核聚变的看法在2022年永远改变了，当时被一些人称为“世纪实验”的实验首次证明，核聚变可以成为一种可行的清洁能源。

在劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行的实验显示了点火：聚变反应产生的能量大于输入的能量。

此外，过去几年在这一领域获得了数十亿美元的私人投资，主要是在美国。

但是，在核聚变大规模发展成为一种安全、经济、几乎无限的清洁能源之前，必须解决大量的工程挑战。换句话说，这是工程时间。

很多从事核聚变基础科学和应用工程几十年的工程师，看到了核聚变的许多科学和物理在过去十年中趋于成熟。

但要使核聚变成为可行的商业能源，工程师们现在必须解决一系列实际挑战。是否能抓住这个机会，成为核聚变能源领域的全球领导者，部分取决于这个国家愿意在解决这些实际问题上投入多少资金，特别是通过公私合作的方式。

建造聚变反应堆

当氘和氚这两种氢原子在极端条件下发生碰撞时，就会发生聚变。这两个原子通过加热到1.8亿华氏度（1亿摄氏度）而融合成一个原子，比太阳核心温度高10倍。为了使这些反应发生，核聚变能源基础设施将需要承受这些极端条件。

在实验室里实现核聚变有两种方法：惯性约束核聚变，使用强大的激光；磁约束核聚变，使用强大的磁铁。

虽然“世纪实验”使用了惯性约束核聚变，但磁约束核聚变尚未证明它可以在能源生产中实现收支平衡。

一些私人资助的实验旨在在本世纪末实现这一壮举，而在法国进行的国际支持的大型实验ITER也希望在本世纪30年代末实现收支平衡。两者都在使用磁约束聚变。

未来的挑战

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射条件的新材料。

当聚变反应堆的材料受到高能粒子的轰击时，它们也会具有放射性。研究人员需要设计出能够在几年内衰变到放射性水平的新材料，这样就可以更安全、更容易地处理掉。

生产足够的燃料，并以可持续的方式生产，也是一个重要的挑战。氘储量丰富，可以从普通水中提取。但提高通常由锂生产的氚的产量将会困难得多。一个单一的聚变反应堆每天需要几百克到一公斤（2.2磅）的氚才能运行。

目前，传统的核反应堆产生的氚是裂变的副产品，但这些不能提供足够的能量来维持一组聚变反应堆。

因此，工程师们需要发展在聚变装置内部生产氚的能力。这可能需要用含锂材料包围聚变反应堆，这种材料会在反应中转化为氚。

为了扩大惯性核聚变的规模，工程师们需要开发出能够每秒数次重复撞击由冷冻氘和氚制成的聚变燃料目标的激光器。但目前还没有足够强大的激光能以这样的速度做到这一点。工程师们还需要开发控制系统和算法，使这些激光以极高的精度对准目标。

此外，工程师们将需要按数量级扩大靶材的生产：从每年数百个手工制作的靶材，每个靶材的价格为数十万美元，到数百万个靶材，每个仅花费几美元。

对于磁密封，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，以及用于反应堆壁的更耐热和抗辐射的材料。用于加热和限制等离子体直到原子聚变的技术需要可靠地运行数年。

这些都是一些重大挑战。它们很艰难，但并非不可逾越。

目前的资金状况

来自全球私人公司的投资增加了 —— 这可能会继续成为推动核聚变研究向前发展的重要因素。过去五年，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，目的是在未来几十年将核聚变加入电网。这些公司大多位于美国，还有一些位于欧洲和亚洲。

虽然私营部门的投资有所增长，但到目前为止，各国政府继续在核聚变技术的发展中发挥关键作用。我们期望它们在未来能继续这样做。

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了国家点火装置，12年后，“世纪实验”就在这里发生了。

2023年，美国能源部宣布了一项为期四年、耗资4200万美元的项目，用于开发该技术的核聚变中心。虽然这笔资金很重要，但它可能不足以解决美国在实际核聚变能源领域成为全球领导者所面临的最重要挑战。

在这一领域，政府和私营公司之间建立伙伴关系的一种方法可能是建立类似于美国宇航局和SpaceX之间的关系。作为NASA的商业合作伙伴之一，SpaceX获得了政府和私人资金，用于开发NASA可以使用的技术。它是第一家将宇航员送上太空和国际空间站的私人公司。

与许多其他研究人员一样，我们也持谨慎乐观的态度。新的实验和理论结果、新的工具和私营部门的投资，都使我们越来越意识到，开发实用的核聚变能源不再是“如果”，而是“将来”。

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