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文｜硅谷101，作者｜Diiiii，編輯｜Nancy
美國時間12月12日，美國能源部和LLNL的科學(xué)家們宣布，人類歷史上首次可控核聚變達(dá)到了凈能量增益。也就是說，核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量多于消耗的能量，這也讓慣性核聚變的科學(xué)基礎(chǔ)得到證實(shí)。美國能源部長Jennifer M. Granholm表示：“這是一個歷史性的時刻，自此以后，游戲規(guī)則將會被永遠(yuǎn)改變。如果可控核聚變實(shí)現(xiàn)了，相當(dāng)于人類就有了取之不盡用之不竭的綠色能源。
但同時，美國能源部這項(xiàng)宣傳在學(xué)術(shù)圈也有一些爭議。這次實(shí)驗(yàn)到底是學(xué)術(shù)圈夸大成果的潛規(guī)則，還是真的重大突破？它離商業(yè)化是否還有50年？可控核聚變的技術(shù)路徑與商業(yè)化路徑分別是怎樣的？
本期《硅谷101》由科技創(chuàng)業(yè)者劉冰雁來主持，嘉賓是加利福利亞大學(xué)圣地亞哥分校等離子體物理博士Physixfan和Fusion Fund管理合伙人張璐。這期內(nèi)容來自一位名叫Diiiii的聽眾在即刻上發(fā)表的一篇收聽感想，分享給大家。
以下文章來自于Diiiii的即刻分享：
核聚變是終極能源，好處：原料來自海水，取之不盡；安全，不能直接用作武器，也不會產(chǎn)生核輻射與核廢料。
可控核聚變和航天有點(diǎn)像，更多是一個工程問題而不是基礎(chǔ)科學(xué)問題。氫彈能上天，其實(shí)就已經(jīng)證明了核聚變的科學(xué)原理是成立的（氫彈的原理就是通過原子彈爆炸釋放的高溫高壓將原子激發(fā)成等離子態(tài)，進(jìn)而引發(fā)核聚變），而難點(diǎn)在于核聚變的能量太大，如何對其進(jìn)行更為精確的操控，使之性價比能夠滿足商業(yè)需求。
這個其實(shí)和光刻也有點(diǎn)像，都是指揮巨大的能量在一個極小的尺度上去執(zhí)行指定的任務(wù)，是熵減的極致，只不過核聚變的挑戰(zhàn)更大。具體來說，最核心的幾個工程上的挑戰(zhàn)在于：
* 如何能夠產(chǎn)生核聚變反應(yīng)所需要的1.5億攝氏度的高溫環(huán)境？（人類已知最耐高溫的材料似乎是鎢，只有4000攝氏度左右。目前的主流解決方案是構(gòu)建較強(qiáng)約束性裝置，包括磁約束和慣性約束兩種技術(shù)路線，前者通過巨大的真空環(huán)形線圈磁場，即“托卡馬克”，而后者利用功率巨大的激光照射到聚變?nèi)剂习猩?，燃料向?nèi)壓縮形成的等離子體，由于自身慣性還來不及向四周飛散就被加熱到極高溫度并發(fā)生聚變反應(yīng)。）
* 如何能夠盡可能地延長反應(yīng)時間？（目前成功運(yùn)行的托卡馬克裝置的反應(yīng)時間都是以秒計(jì)算的，2021年中國的EAST實(shí)現(xiàn)了1056秒的等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄）
* 如何能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，讓Q值（反應(yīng)堆輸出能量與輸入能量之比）足夠大？（理論上大于1即可，但考慮到商業(yè)化，Q值需要大于10才可以，理想Q值最好能達(dá)到30。目前有據(jù)可查的記錄由歐洲JET保持 ，Q值是0.67，日本JT-60的理論Q值達(dá)到了1.25）
本次的“大新聞”，和上述三個挑戰(zhàn)中的第三個比較相關(guān)。
核聚變反應(yīng)裝置，從輸入能量到輸出能量，中間有多個步驟。這次實(shí)現(xiàn)的“凈能量收益”并不是End-to-end的收益，而只是中間環(huán)節(jié)。
早在2014年，LLNL就曾經(jīng)實(shí)現(xiàn)過類似的“凈能量增益”，只不過當(dāng)時的定義是“聚變產(chǎn)生的中子能量大于被靶丸吸收掉的激光能量”，是整個能量傳輸鏈條中的一小部分。而這次的定義是“聚變產(chǎn)生的中子能量大于輸入的激光能量”，雖然相比2014年有了顯著進(jìn)步，但依舊還是能量傳輸鏈條中的一小部分。如果從最早的電能開始算起，考慮到從電到激光再到中子輸出，產(chǎn)出的能量僅相當(dāng)于輸入能量的0.008。
另外，本次新聞中的主角LLNL走的是慣性約束的技術(shù)路線，而不是目前更為主流的磁約束/托卡馬克路線。
后者的優(yōu)勢在于足夠scalable，可以實(shí)現(xiàn)“自持燃燒”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無窮大的能量增益。在托卡馬克裝置中，磁約束核聚變是存在一個臨界點(diǎn)的，只要越過這個臨界點(diǎn)，那么能量增益的具體數(shù)值就不重要了，重要的是自持燃燒等離子體的控制，只要往里不停地補(bǔ)充燃料那么聚變能就可以持續(xù)釋放。而慣性約束聚變則在原理上非常不同，它是靠激光來傳遞能量，每一炮激光都是獨(dú)立的，不存在自持燃燒的概念，因此能量增益的提升只能一點(diǎn)點(diǎn)的繼續(xù)提升，每繼續(xù)提高一點(diǎn)都需要艱難的努力。
這就進(jìn)一步降低了本次“凈能量收益”的重要性。按照嘉賓的說法，“能源部要經(jīng)費(fèi)”的新聞PR意義更大一些。（這里一個有趣的點(diǎn)在于，無論是磁約束還是慣性約束，還都是要通過熱交換的方法來實(shí)現(xiàn)最終能量的輸出，即所謂的“燒開水”，不理解為啥不能通過其他類似磁流體發(fā)電之類的技術(shù)來提高效率。在能量輸出這一點(diǎn)上，人類似乎還挺沒創(chuàng)意的...）
拋開具體新聞，整個可控核聚變領(lǐng)域在最近兩年有爆發(fā)之勢。全球的33家商業(yè)核聚變公司中有23家都是最近5年才成立的，2021年整個賽道的融資額達(dá)到28.3億美元，超過了此前N年的總和。這一輪風(fēng)口還是由美國公司Commonwealth Fusion Systems和Helion引領(lǐng)，而國內(nèi)的星環(huán)聚能和能量奇點(diǎn)也都拿到了數(shù)億人民幣級別的融資。
個人理解，讓可控核聚變突然爆火的催化劑，是因?yàn)镸IT團(tuán)隊(duì)攻克了高溫超導(dǎo)技術(shù)，可以產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場，讓托卡馬克路線一下子sexy了很多。
提高托卡馬克的磁場強(qiáng)度，是除了將裝置繼續(xù)做大之外的另一種提高Q值的方法。磁場更強(qiáng)，限制等離子體的能力就強(qiáng)，核聚變效率也會提高。
因此，理論上來講，小型的托卡馬克裝置也能更有效率地產(chǎn)生能量，不再需要建造像 ITER 那樣巨型的動輒耗費(fèi)幾十年時間才能搞定的裝置。創(chuàng)業(yè)公司建造一個小型的托卡馬克裝置，不過是兩到三年時間。與 ITER 比，建造周期可以縮短到 1/10，而且不需要一次投入 200 多億美元，只需要數(shù)億美元就可能驗(yàn)證成敗。而由于高溫超導(dǎo)材料并不稀缺，這次的技術(shù)創(chuàng)新也開啟了一輪創(chuàng)業(yè)公司的機(jī)會。
可控核聚變的未來，很可能類似航天，由國家隊(duì)+商業(yè)公司分工合作完成，國家隊(duì)（NASA）負(fù)責(zé)那些重投入、長周期、風(fēng)險收益比更低的事情，和商業(yè)公司（SpaceX）互為補(bǔ)充。
但無論再怎么降低風(fēng)險，可控核聚變依舊處在加德納曲線的最早期（類似于腦機(jī)接口、量子計(jì)算等），挑戰(zhàn)依舊非常大。可以看到，美國這一輪參與投資的，大都還是Sam Altman，Peter Thiel，Bill Gates，George Soros，Marc Benioff 這樣的富人或類似Google這樣的機(jī)構(gòu)，對于短期乃至中期的財(cái)務(wù)回報(bào)要求都不是太高，對于技術(shù)發(fā)展也有更多的耐心。
可控核聚變的商業(yè)化還要多久？之前的笑話是“永遠(yuǎn)需要50年”，但如果用勞森判據(jù)（等離子體密度、約束時間、溫度的乘積）來看的話，其實(shí)一直到2000年左右，可控核聚變的進(jìn)化類似摩爾定律，是指數(shù)級變化的。（這個很有趣，因?yàn)橛钪娴谋驹词悄芰亢托畔?，而如果能量和信息進(jìn)化的背后都有某種指數(shù)性的規(guī)律，那么是否愈發(fā)說明宇宙其實(shí)就是個大模擬器？）
如果不是ITER的扯皮花了太久的時間導(dǎo)致大量研究進(jìn)度中斷，或許進(jìn)展還會更快。播客節(jié)目里的兩位嘉賓對于“50年”這個時間點(diǎn)都表示謹(jǐn)慎樂觀。
假如ITER真的能夠在2035年如期建成，那么或許我們這輩子能用上可控核聚變帶來的能量，實(shí)現(xiàn)能量自由，也不是白日夢。在播客里，嘉賓提到了可控核聚變實(shí)現(xiàn)后帶來的好處，例如可以不計(jì)成本地用燈光去代替太陽光，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的顛覆；從汞中提取金；為探索太空提供核動力發(fā)動機(jī)等等（可以理解為每個人都可以裝一個鋼鐵俠心臟的那個芯兒）。
本質(zhì)上，如果能量成本趨近為零，供給趨于無限，那么很多基本的經(jīng)濟(jì)學(xué)假設(shè)就被推翻了，整個社會結(jié)構(gòu)都會面臨顛覆性的重組。這還是挺令人期待的。相比GDP，用能量的利用率（功率）來衡量人類文明的先進(jìn)程度，某種程度上更符合第一性原理。
按照卡爾達(dá)肖夫的計(jì)算方法，鼎盛時期羅馬帝國的卡爾達(dá)肖夫指數(shù)在 0.3 以下，1800 年大約是 0.58，1900 年提升到了 0.61，2000 年又提升到了約0.71，而2022年的卡爾達(dá)肖夫指數(shù)大概在0.73左右。
如果可控核聚變實(shí)現(xiàn)了，人類文明將一躍從0.73型文明進(jìn)化到1.5型文明，地球當(dāng)真就已經(jīng)容不下我們了...當(dāng)然，在那一天來臨之前，更為現(xiàn)實(shí)的能源演進(jìn)路線依舊是太陽能、風(fēng)能、氫能等“傳統(tǒng)”新能源。在核能上，除了聚變之外，傳統(tǒng)的核裂變技術(shù)也在發(fā)展。
Bill Gates投資的Terra Power采用鈉冷高速反應(yīng)堆、熔融鹽原子爐等技術(shù)，顯著提升了裂變的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，最快可能在2028年投入運(yùn)行。盡管這些都不是“終極”解決方案，但它們的確定性要大得多?？煽睾司圩冞@類真正的顛覆性技術(shù)，至少讓我們有理由對人類的未來抱有巨大的樂觀。正如大仲馬所說，“人類的一切智慧都包含在這兩個詞語當(dāng)中，wait and hope.”
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名詞解釋：
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如果可控核聚變實(shí)現(xiàn)了，人類文明將一躍從0.73型文明進(jìn)化到1.5型文明，地球當(dāng)真就已經(jīng)容不下我們了
人類邁了一大步？
未來商業(yè)化還早
只要美國人還在為高油價所苦，歐洲人冬天還在燒煤，我就不相信西方世界已經(jīng)搞成核聚變
其實(shí)如果社會輿論允許的話，基于氫彈的核聚變發(fā)電站已經(jīng)沒有技術(shù)問題了，那需要在巖石山體中建造一個半徑六十米的金屬容器，里面有惰性氣體和十萬噸金屬鈉，每天在容器中引爆四顆氫彈，把金屬鈉部分氣化，整體熔化加熱到高溫，然后用金屬鈉液體循環(huán)到蒸汽輪里燒水發(fā)電，并回收氫彈里的鈾，目前的鈾資源，用這種方式可以滿足未來一萬年的能量要求
我去年想到一個問題，一度電成本沒考慮過，如果一度電十塊錢，你用嗎？太陽能成本三毛錢，化學(xué)儲能成本幾毛錢。核聚變電站成本十塊錢你建不建？
可控核聚變不僅僅是工程問題。至少目前如此。
終極能源應(yīng)該是正反物質(zhì)泯滅
可控核聚變是一個工程問題
算的上歷史性突破嗎？