可控核聚变历史性突破时刻，但学术圈还有些争议

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            本文来自微信公众号“硅谷101”（ID：svstyle）
            文｜Diiiii 编辑｜Nancy
            美国时间12月12日，美国能源部和LLNL的科学家们宣布，人类历史上首次可控核聚变达到了净能量增益。也就是说，核聚变反应产生的能量多于消耗的能量，这也让惯性核聚变的科学基础得到证实。美国能源部长Jennifer M. Granholm表示：“这是一个历史性的时刻，自此以后，游戏规则将会被永远改变。如果可控核聚变实现了，相当于人类就有了取之不尽用之不竭的绿色能源。
            但同时，美国能源部这项宣传在学术圈也有一些争议。这次实验到底是学术圈夸大成果的潜规则，还是真的重大突破？它离商业化是否还有50年？可控核聚变的技术路径与商业化路径分别是怎样的？
            

（来源于网络）            
            本期《硅谷101》由科技创业者刘冰雁来主持，嘉宾是加利福利亚大学圣地亚哥分校等离子体物理博士Physixfan和Fusion Fund管理合伙人张璐。这期内容来自一位名叫Diiiii的听众在即刻上发表的一篇收听感想，分享给大家。
            前两天爆出可控核聚变方面的“大新闻”，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）首次实现了核聚变的净能量增益，但消息一出就引起了很大争议。这期播客将这次新闻的实际情况以及行业的现状做了比较清晰的梳理，算是对可控核聚变行业（也算“新能源”的一个分支）的一个超简略的总结，值得一听。自己的一些key takeaways:
            01 终极能源：核聚变
            核聚变是终极能源，好处：原料来自海水，取之不尽；安全，不能直接用作武器，也不会产生核辐射与核废料；
            02 可控核聚变是一个工程问题
            可控核聚变和航天有点像，更多是一个工程问题而不是基础科学问题。氢弹能上天，其实就已经证明了核聚变的科学原理是成立的（氢弹的原理就是通过原子弹爆炸释放的高温高压将原子激发成等离子态，进而引发核聚变），而难点在于核聚变的能量太大，如何对其进行更为精确的操控，使之性价比能够满足商业需求。这个其实和光刻也有点像，都是指挥巨大的能量在一个极小的尺度上去执行指定的任务，是熵减的极致，只不过核聚变的挑战更大。具体来说，最核心的几个工程上的挑战在于：
            * 如何能够产生核聚变反应所需要的1.5亿摄氏度的高温环境？（人类已知最耐高温的材料似乎是钨，只有4000摄氏度左右。目前的主流解决方案是构建较强约束性装置，包括磁约束和惯性约束两种技术路线，前者通过巨大的真空环形线圈磁场，即“托卡马克”，而后者利用功率巨大的激光照射到聚变燃料靶上，燃料向内压缩形成的等离子体，由于自身惯性还来不及向四周飞散就被加热到极高温度并发生聚变反应。）
            

JET托卡马克内部（来源于网络）            
            * 如何能够尽可能地延长反应时间？（目前成功运行的托卡马克装置的反应时间都是以秒计算的，2021年中国的EAST实现了1056秒的等离子体运行，创造了新的世界纪录）
            * 如何能够实现经济性，让Q值（反应堆输出能量与输入能量之比）足够大？（理论上大于1即可，但考虑到商业化，Q值需要大于10才可以，理想Q值最好能达到30。目前有据可查的记录由欧洲JET保持 ，Q值是0.67，日本JT-60的理论Q值达到了1.25）
            03 走惯性约束路线的本次突破
            本次的“大新闻”，和上述三个挑战中的第三个比较相关。核聚变反应装置，从输入能量到输出能量，中间有多个步骤。这次实现的“净能量收益”并不是End-to-end的收益，而只是中间环节。早在2014年，LLNL就曾经实现过类似的“净能量增益”，只不过当时的定义是“聚变产生的中子能量大于被靶丸吸收掉的激光能量”，是整个能量传输链条中的一小部分。而这次的定义是“聚变产生的中子能量大于输入的激光能量”，虽然相比2014年有了显著进步，但依旧还是能量传输链条中的一小部分。如果从最早的电能开始算起，考虑到从电到激光再到中子输出，产出的能量仅相当于输入能量的0.008。
            另外，本次新闻中的主角LLNL走的是惯性约束的技术路线，而不是目前更为主流的磁约束/托卡马克路线。后者的优势在于足够scalable，可以实现“自持燃烧”，进而实现无穷大的能量增益。在托卡马克装置中，磁约束核聚变是存在一个临界点的，只要越过这个临界点，那么能量增益的具体数值就不重要了，重要的是自持燃烧等离子体的控制，只要往里不停地补充燃料那么聚变能就可以持续释放。而惯性约束聚变则在原理上非常不同，它是靠激光来传递能量，每一炮激光都是独立的，不存在自持燃烧的概念，因此能量增益的提升只能一点点的继续提升，每继续提高一点都需要艰难的努力。这就进一步降低了本次“净能量收益”的重要性。按照嘉宾的说法，“能源部要经费”的新闻PR意义更大一些。
            （这里一个有趣的点在于，无论是磁约束还是惯性约束，还都是要通过热交换的方法来实现最终能量的输出，即所谓的“烧开水”，不理解为啥不能通过其他类似磁流体发电之类的技术来提高效率。在能量输出这一点上，人类似乎还挺没创意的...）
            

位于美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）（来源于网络）            
            04 近期可控核聚变领域爆发的原因
            抛开具体新闻，整个可控核聚变领域在最近两年有爆发之势。全球的33家商业核聚变公司中有23家都是最近5年才成立的，2021年整个赛道的融资额达到28.3亿美元，超过了此前N年的总和。这一轮风口还是由美国公司Commonwealth Fusion Systems和Helion引领，而国内的星环聚能和能量奇点也都拿到了数亿人民币级别的融资。
            个人理解，让可控核聚变突然爆火的催化剂，是因为MIT团队攻克了高温超导技术，可以产生更强的磁场，让托卡马克路线一下子sexy了很多。提高托卡马克的磁场强度，是除了将装置继续做大之外的另一种提高Q值的方法。磁场更强，限制等离子体的能力就强，核聚变效率也会提高。因此，理论上来讲，小型的托卡马克装置也能更有效率地产生能量，不再需要建造像 ITER 那样巨型的动辄耗费几十年时间才能搞定的装置。创业公司建造一个小型的托卡马克装置，不过是两到三年时间。与 ITER 比，建造周期可以缩短到 1/10，而且不需要一次投入 200 多亿美元，只需要数亿美元就可能验证成败。而由于高温超导材料并不稀缺，这次的技术创新也开启了一轮创业公司的机会。
            05 可控核聚变的未来 商业化还需要多久
            可控核聚变的未来，很可能类似航天，由国家队+商业公司分工合作完成，国家队（NASA）负责那些重投入、长周期、风险收益比更低的事情，和商业公司（SpaceX）互为补充。但无论再怎么降低风险，可控核聚变依旧处在加德纳曲线的最早期（类似于脑机接口、量子计算等），挑战依旧非常大。可以看到，美国这一轮参与投资的，大都还是Sam Altman，Peter Thiel，Bill Gates，George Soros，Marc Benioff 这样的富人或类似Google这样的机构，对于短期乃至中期的财务回报要求都不是太高，对于技术发展也有更多的耐心。
            可控核聚变的商业化还要多久？之前的笑话是“永远需要50年”，但如果用劳森判据（等离子体密度、约束时间、温度的乘积）来看的话，其实一直到2000年左右，可控核聚变的进化类似摩尔定律，是指数级变化的。（这个很有趣，因为宇宙的本源是能量和信息，而如果能量和信息进化的背后都有某种指数性的规律，那么是否愈发说明宇宙其实就是个大模拟器？） 如果不是ITER的扯皮花了太久的时间导致大量研究进度中断，或许进展还会更快。播客节目里的两位嘉宾对于“50年”这个时间点都表示谨慎乐观。假如ITER真的能够在2035年如期建成，那么或许我们这辈子能用上可控核聚变带来的能量，实现能量自由，也不是白日梦。
            在播客里，嘉宾提到了可控核聚变实现后带来的好处，例如可以不计成本地用灯光去代替太阳光，进而实现农业的颠覆；从汞中提取金；为探索太空提供核动力发动机等等（可以理解为每个人都可以装一个钢铁侠心脏的那个芯儿）。本质上，如果能量成本趋近为零，供给趋于无限，那么很多基本的经济学假设就被推翻了，整个社会结构都会面临颠覆性的重组。这还是挺令人期待的。
            相比GDP，用能量的利用率（功率）来衡量人类文明的先进程度，某种程度上更符合第一性原理。按照卡尔达肖夫的计算方法，鼎盛时期罗马帝国的卡尔达肖夫指数在 0.3 以下，1800 年大约是 0.58，1900 年提升到了 0.61，2000 年又提升到了约0.71，而2022年的卡尔达肖夫指数大概在0.73左右。如果可控核聚变实现了，人类文明将一跃从0.73型文明进化到1.5型文明，地球当真就已经容不下我们了...
            当然，在那一天来临之前，更为现实的能源演进路线依旧是太阳能、风能、氢能等“传统”新能源。在核能上，除了聚变之外，传统的核裂变技术也在发展。Bill Gates投资的Terra Power采用钠冷高速反应堆、熔融盐原子炉等技术，显著提升了裂变的经济性和环保性，最快可能在2028年投入运行。尽管这些都不是“终极”解决方案，但它们的确定性要大得多。
            可控核聚变这类真正的颠覆性技术，至少让我们有理由对人类的未来抱有巨大的乐观。正如大仲马所说，“人类的一切智慧都包含在这两个词语当中，wait and hope.”
            【参考链接】
            可控核聚变：离风投更近、离现实多远……还不好说丨TECH TUESDAY
            https://mp.weixin.qq.com/s/J2GBVZqS4bvadJrKOcMYdA
            VC拥抱可控核聚变，“人造太阳”何时升起？| 甲子光年
            https://mp.weixin.qq.com/s/moIehMMx_i_Ry2NJKpur5g
            美国能源部即将发表重大声明，人类或首次实现核聚变反应净能量增益，这意味着什么？
            https://www.zhihu.com/question/571894946/answer/2798885903
            Vol.167 可控核聚变如何制造终极能源？
            https://youtu.be/0JqBfYwQcqg
            2022.12.24
            感谢听众Diiiii的授权。
            【名词解释】
            惯性约束核聚变
            惯性约束是实现可控可聚变两大主流方案之一，美国的国家点火设置（NIF）是目前最大的惯性约束装置。
            磁约束核聚变
            利用磁场来约束高温等离子体进行核聚变的技术，是核聚变研究的两大分支之一。本期嘉宾认为，其发展程度比惯性约束聚变还好，被认为更有前途用于能源生产。
            托卡马克Tokamak
            托卡马克核聚变是一种利用磁约束来实现受控的核聚变的装置，它的特点之一是甜甜圈形状。
            注：部分图片来源于网络
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