关于惯性约束聚变的个人看法：写于人类又一次首次获得大于1的能量增益

今天NIF（美国国家点火装置）又一次搞了个大新闻，虽尚未官宣，但很多媒体都在报道人类首次实现受控核聚变能量增益大于1，比如这个链接。其实2014年就有过同样标题的大新闻，本博客当时还写过文章、2021年又有过相同标题的大新闻、没想到2022年又来。今天多位朋友发了新闻链接给我，于是我就借此时机写一下我对这个新闻和惯性约束聚变的个人看法吧。

利益相关 disclaimer：虽然我读PhD时算是受控核聚变方向的，但现在我已经不在科研界，这篇文章的言论只代表个人观点，希望前同行们轻喷。我当时的研究方向是磁约束核聚变，不是惯性约束核聚变，因此本文的观点可能带有个人偏见。

首先要强调的是“能量增益大于1”这个能量增益的定义问题。在2014年的大新闻中，其定义是：聚变产生的中子的能量除以被靶丸吸收掉的激光能量之比；在2022年今天的大新闻中，其定义是：聚变产生的中子的能量除以输入的激光的能量之比（注意到输入激光的能量中只有一小部分被靶丸吸收掉，因此2022年比2014年其实已经获得了显著性能提升）。这几次大新闻中，能量增益的定义都不是普通民众可能以为的输出电能到输入电能之比。为什么我要专门强调这个定义的区别呢？不是我故意咬文嚼字或强词夺理，而是因为这里面其实有一个聚变行业一直以来的夸大成果的潜规则在里面：这样定义能量增益可以显得能量增益更大，而且是大很多。即使我们认为将来从中子到电能的转换效率可以很高（目前没有人实际去做中子到电能的转化，因为目前的聚变研究还没有进行到这一步），但是输入端从电能到激光的转换效率可是实打实的很低，而且根据其物理原理这个能量转化效率永远都会很低。说一个具体数字大家可能就感受更深了，这两个定义之间的差别，会让能量增益差125倍之多（source：这里）！如果从电能开始算起，而不是从激光能量开始算起，那么NIF实现的能量增益也就0.008而已，并非大于1。

那么NIF作为惯性约束聚变的实验装置，能不能再稍微努努力把成绩进一步提高呢？我认为非常难。

作为对比，另一种受控核聚变的思路 — 磁约束聚变 — 的一个大优势是，拥有简单粗暴的 scaling law：磁场越大越好，装置尺寸越大越好，这两项指标对磁约束装置性能的提升是效果显著而无上限的。虽然磁场大小有其物理和工程上的限制没有办法想做多大就做多大，但是至少装置尺寸这一项本质上只有经济上的困难、而没有物理上的困难，因此（在其他方面不变的情况下）想要成倍的提升性能，只要充钱就能变得更强。而惯性约束聚变就没有这么优良的性质了。惯性约束聚变很像用手去压缩气球：你一使劲，气球就会从指头缝里冒出来进而爆掉，除非你的手对称性极高、任何方向都没有缝。若你想使用更大的力气去压，那么该系统对对称性的要求又更高了。对于对称性的极高要求，并没有一个简单粗暴的路径可以显著的成倍的提升性能。而且从NIF的实际经验来看，高度对称性的实现有时候是运气好才出现的结果，成功的一炮连复制一遍都难，那就更别说进一步提升性能了。

另外，惯性约束聚变能量增益大于1的实际意义和磁约束相比其实也没有那么大。作为对比，在磁约束核聚变中，当聚变产生的能量输出大于输入之后，等离子体可以实现“自持燃烧”。若不考虑实际工程因素只考虑物理因素，在磁约束核聚变中，当成功点火实现自持燃烧之后，能量增益实际上是无穷大。因此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，每一炮都是独立的，每一炮对对称性都要求很高，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。

因此对于惯性约束聚变装置搞出来的大新闻，我都并不感到激动。我个人认为受控核聚变目前的正路就是在磁约束聚变方案中使用新出现的高温超导线圈技术做以前做不出来的更大的磁场。由MIT团队建立的 Commonwealth Fusion Systems (CFS) 就是此路线的领头羊，目前风头正盛，美国政府也在大力支持。中国这边则有我同学创立的能量奇点公司也正在走相同的路线。希望过几年就可以看到他们搞出来的大新闻吧！…

能量奇点完成近4亿元首轮融资 个人认为是中国最有前途的受控核聚变项目

昨天看到我朋友杨钊创办的能量奇点官宣了《能量奇点完成近4亿元首轮融资，用于探索可商业化的聚变能源技术 》，激动的半天没睡着觉😂 虽然我这么说可能有点不客观，但是我认为这是中国最有前途的受控核聚变项目。

利益相关 disclaimer：这是我朋友创办的公司，我因为个人原因没有参与其中，只是在场外摇旗呐喊，是纯粹的精神股东。我已经不在科研界，这篇文章的言论只代表个人观点，希望前同行们轻喷。

我认为目前受控核聚变的最大困境，主要不在于物理机制的研究上，而是在于政府的资金支持不够。制造一个大型实验装置是非常烧钱的。美国对于聚变的经费投入在过去几十年来基本维持不变，通胀调整后就相当于逐年递减了；而本来最有希望的 ITER 项目，则由于国际合作的种种弊端，工程一再延期，也给这个行业蒙上了一层阴影。对行业的悲观也是让我做出不再继续在这个方向做科研的原因之一。

然而事情其实还是有转机的。在过去的十年里，其实有一件事在悄悄发生，那就是高温超导材料–钇钡铜氧–逐渐的技术成熟，可以被量产做成线圈产生比较大空间范围的强磁场了。到今天百度百科里面还写着钇钡铜氧相当于是一种陶瓷材料力学性质不易弯折且易碎因此很难被做成导线呢，但其实这些年技术在静悄悄的进步，困难在逐渐的被客服。这类高温超导材料，可以有更高的临界温度、更大的临界磁场，因此是产生强磁场的理想材料。如果使用了这种材料，理论上可以设计让托卡马克运行时的磁场比低温超导材料高出数倍，因此约束性能更好，用更小型的装置就可以实现同样的点火目标。目前钇钡铜氧高温超导材料的主要问题之一就是贵，成本大约是低温超导的十倍，但是如果熟悉各种技术的历史就知道，新技术贵不是问题，只要应用范围很大，需求量上去了，将来这个材料的生产成本是可以指数衰减的。

因为政府的支持力度不够，而建造一个全新的大型装置太烧钱，所以实际上美国第一个提出要搞高温超导路线的团队，就搞成了一个商业公司：Commonweatlth Fusion Systems (CFS)。CFS背靠MIT，2018年种子轮就融资拿到了$50M的融资，2022年进行到了B论已经拿到了$1.8B的融资。

目前国内最先进的EAST装置，是基于低温超导材料的，其上限也就不过如此了（国际上已建成的大型装置也都一样），这是一个主要用于做物理实验和工程验证的装置，从设计上就不可能达到点火条件。而目前国内另一家有一定前途的做聚变的公司–新奥能源–走的是更低成本而小型化的路线，按我的理解他们的目标不是去冲击能量输出大于输入，而是也是研究物理。在我看来，做一个全新的基于高温超导的装置，是正路。这其实也是业界很多大佬们的看法。

能量奇点正是计划走高温超导这条正路的新公司，和美国的 Commonweatlth Fusion Systems (CFS) 一样。之前我还有点担忧这条正路如此烧钱，杨钊到底能不能搞到足够的资金来支持他的疯狂计划？现在看来，这个顾虑已经不存在了。首轮融资就融到了将近4亿元，已经和 CFS 的$50M种子轮相当了。而我们都知道，同样的资金，在中国使用成本更低、办事速度更快。

我对这家公司和受控核聚变的未来，预期是什么样的？分为几个层级来说吧：

• 这家公司能做到聚变能商业发电吗？我依然觉得不仅这家公司做不到，可能我这辈子都看不到。
• 这家公司能做到能量输出大于输入吗？如果是定义成中子能量输出大于能量输入，也就是不考虑中子转化成电能的不可避免的能量损耗，那么我觉得有一定希望、但是也不是一定会实现的，难度非常大，挑战非常高。
• 这家公司能做到等离子体稳定高参数放电吗？我觉得这个大概率可以成功。
• 这家公司能推动从高温超导材料到等离子体控制等上下游的科学和技术进步吗？我觉得这100%可以做到。这也就是为什么尽管我对聚变的前景依然感到悲观，但是我仍然非常激动非常看好这家公司的发展。

感兴趣的朋友如果想加入，可以联系 [email protected] 加入他们~ 这里是岗位和要求信息。希望能量奇点可以越做越好！…

受控核聚变方面的Start-up们

这几天在 Portland, OR 参加APS-DPP（美国物理年会-等离子体分会）。在招工的摊位上看到了些start-up，感觉这趋势蛮有意思。世界最大的Tokamak项目–ITER连年预算超标+延期，已经让各国不堪重负了。在这样一个时代，越来越多的商业start-up冒出来了，主要面向新的聚变能源方案。

SPARC

说SPARC算start-up可能有人不服，毕竟这是MIT底下实验室里的一帮人在搞的项目。不过毕竟在拉商业投资、烧投资，他们把自己算作了start-up。

这家算是我觉得最有前途的聚变startup了，他们的最主要优势是能获得量产的高温超导线圈（应该是MIT的合作实验室生产的），然后用高温超导来做Tokamak。

以前大家不是不想用高温超导做线圈，毕竟低温超导要用到液氦，实在是贵。之所以以前大家都只能用低温超导来做聚变的线圈，最主要的原因是以前的高温超导材料往往在磁场还很小的时候就被破坏了超导性，而且高温超导材料物理性质类似于陶瓷很难被加工成导线。近几年有实验室和公司做出来了能容忍大磁场的YBCO高温超导线圈，近几年创造的记录是42T的稳定磁场！MIT这个项目就是准备用这项最新的技术来做托卡马克。他们的设计磁场强度是12T之高，相比于ITER的5T左右，这一下就开启了一个新的可能性。

当然，这个项目面临的挑战也是有不少的，不过我依然觉得这个方案大有前途！

新奥

这是个中国的项目，位于廊坊。说它是start-up也不是很准确，因为新奥本身是个已经规模巨大的公司，只不过聚变部门是新成立的。新奥集团一年的营收是几十亿人民币的量级，目前主要的经营项目是天然气，因此他们有足够的经费和动机去支持一个短期内可能无法盈利的聚变部门。

目前新奥正在国内招人，已经有不少我之前认识的聚变界大佬们跟他们有些合作关系了，正在帮他们做宣传呢。

新奥目前打算做的方案应该是反场位形和球马克，具体方案目前好像仍然在探讨中，不过他们的主要战略路线应该是一种小型化的方案（与大型的Tokamak相对）。

fuse

这是今天刚听说的一个startup，实际上也刚成立几个月之久。位于加拿大蒙特利尔。其投资人+创始人是 Maximus Yaney。据今天来的员工介绍，这位创始人是个硅谷成功人士，把他的上一个公司卖了$100M给Google，因此有了足够的钱来投资聚变研究。

这家公司的方案非常飘逸，目前应该是正在考虑3种非主流方案，目前共12种方案备选，比如静电约束，这些都是我们这种研究聚变的PhD们基本没听说的方案。他们的意思是想要快速试错，把一些以前学界不怎么考虑的方案做做实验评估一下，这家公司非常强调的一种哲学是 fail fast, learn, and repeat。

总结

除了这几家之外其实还有不少聚变start-up，比如 Tri-Alpha 等都已经做了几年了。作为聚变方向的学生，很高兴看见有越来越多的资本对聚变感兴趣。不过这其实也侧面反映了一个问题，就是正规的学界研究方向–Tokamak或者惯性聚变，已经太大太烧钱了，因此进展缓慢，这才有了这些startup想要探索其他可能的方案。

话说，其实 Elon Mask 应该是最适合开聚变startup的：既有钱，又有号召力，又和他的个人风格非常搭配，为啥他不来参与呢？如果有人能跟 Elon Mask 说得上话，一定要帮忙问一问这个问题啊！

希望有生之年能看到聚变能源被真正生产出来！…

“钢铁侠”真能造出来吗？

不靠天赋异禀的超能力，不靠飞来横祸的基因突变，钢铁侠Tony Stark仅凭科技的力量：一身炫酷的机甲就拯救了世界，赢得了无数粉丝。钢铁侠的一身机甲究竟距离现实有多远？其实，防御、武器系统是很常规的事情不必多说；智能对话系统Javis也已经有了现实版：Siri和Google Now；飞行推进系统也有现实中的对应版本：离子推力器；而唯有最核心最重要的能源系统，方舟反应堆（Arc Reactor），现实中从未有人真正实现过。方舟反应堆究竟是何物？现实中的人类距离实现有多遥远？

钢铁侠的方舟反应堆，不需要补充煤炭汽油等燃料，不需要放射性重金属也不需要光照，而且提供的能量密度高得惊人，这样的能源在世界上有且仅有一种：受控核聚变。聚变的原材料是氘和氚，如果技术发展的足够好那么只用氘也可以，而氘在自然界中极其丰富：水中就有足够的氘！因此我们可以推测，钢铁侠利用身体中的水作为原料，用小型离心机分离出氘，然后供给方舟反应堆用来聚变以获得能源的。

方舟反应堆的具体实现方式是什么呢？我们先看两张图：

图1

图2（来自 https://www.euro-fusion.org/2011/09/tokamak-principle-2）…

受控核聚变的难点在哪里？

//本文是我在知乎上的回答《什么是可控核聚变？实现它的难点是什么？》。

宏观上来看，难点就是同时实现高温高密度和长约束时间（Lawson criterion）。因为自己是聚变方向的PhD，所以我想我可以谈一些比通常见到的科普更多的内容。下文主要针对托卡马克方案（即用磁场约束等离子体以实现聚变的方案），贴自我自己在知乎上对这个问题的回答。

第一方面的难点是物理理论上的。虽然等离子体的运动无非就是麦克斯韦方程组就可以完全描述的，连量子力学都用不到，但是因为包含的粒子数目多，就会遇到本质的困难，此所谓 “More is different”。正如在流体力学里，我们虽然知道基本方程就是Navier-Stokes方程，但是其产生的湍流现象却是物理上几百年来都攻不下来的大山。等离子体同样会产生等离子体湍流，因为有外磁场的存在甚至是比流体湍流更复杂一些。于是在物理上，我们就没有办法找到第一性原理出发找到一个简洁的模型去很好地预测等离子体行为。我们现在所能做的，很多时候就是像流体湍流的研究那样，构建一些更加偏唯像一点的模型，同时发展数值模拟的技术。

第二方面的难点是物理实验上的。即使没有第一性原理出发的理论，很多时候唯像模型也可以非常实用，比如说现在流体湍流的模型就可以在工程上很实用。但是等离子体实验的数据可并不像流体那么好获得。从理论上我们可以知道，托卡马克里的高温高密度等离子体会有非常多的不稳定性，如果伸进去一根探针进等离子体中心，那立刻就会激发起不稳定性于是整个等离子体就会分崩离析。基于这个原因，实验观测的手段就会很受限制。这也就是为什么我们不说“等离子体测量”一词，而是使用“等离子体诊断”，因为这的确就跟诊断病人的病情很像。…

人类首次实现能量增益大于1的受控核聚变（惯性约束）

Nature于2014年2月12日发表的一篇文章《Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion》宣布NIF（美国国家点火装置）用惯性约束聚变的方法首次实现了受控核聚变能量增益大于1的实验，其意为聚变释放出的能量大于输入到靶丸的激光能量，实属受控核聚变道路上的一个重大里程碑！

作为聚变方向的PhD，真心为这个消息感到激动人心，同时想稍微科普一下其中的知识，让行业外的人也了解了解。

受控核聚变能源一直以来就是人类梦寐以求的终极能源。聚变能早在第一颗氢弹爆炸的时候就已经被人类所释放，然而氢弹的本质却决定了它无法作为可控的能源：氢弹爆炸的条件太苛刻，于是只能用原子弹来引爆，而原子弹想要爆炸，浓缩铀的质量就必须大于一个临界值，因此氢弹的爆炸是一定要一次性放出巨大能量的，破坏力实在太大，无法作为能源使用。因此，之后的几十年里，人们就一直在寻求让聚变能每次少量释放的途径。然而，聚变点火的条件是，温度、密度、约束时间这三个量的乘积需要大于一个数值（劳森判据），显而易见的一点是，温度密度越高就约难以约束，因此三者同时提高是一个极其困难的任务。

目前的主流解决方案有两种：磁约束和惯性约束。…