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！