美國時間12月12日，美國能源部和LLNL的科學家們宣布，人類歷史上首次可控核聚變達到了凈能量增益。也就是說，核聚變反應產生的能量多于消耗的能量，這也讓慣性核聚變的科學基礎得到證實。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，游戲規則將會被永遠改變。如果可控核聚變實現了，相當于人類就有了取之不盡用之不竭的綠色能源。

但同時，美國能源部這項宣傳在學術圈也有一些爭議。這次實驗到底是學術圈夸大成果的潛規則，還是真的重大突破？它離商業化是否還有50年？可控核聚變的技術路徑與商業化路徑分別是怎樣的？

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本期《硅谷101》由科技創業者劉冰雁來主持，嘉賓是加利福利亞大學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。這期內容來自一位名叫Diiiii的聽眾在即刻上發表的一篇收聽感想，分享給大家。

以下文章來自于Diiiii的即刻分享：

01終極能源：核聚變

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，也不會產生核輻射與核廢料。

02可控核聚變是一個工程問題

????可控核聚變和航天有點像，更多是一個工程問題而不是基礎科學問題。氫彈能上天，其實就已經證明了核聚變的科學原理是成立的（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成等離子態，進而引發核聚變），而難點在于核聚變的能量太大，如何對其進行更為精確的操控，使之性價比能夠滿足商業需求。

這個其實和光刻也有點像，都是指揮巨大的能量在一個極小的尺度上去執行指定的任務，是熵減的極致，只不過核聚變的挑戰更大。具體來說，最核心的幾個工程上的挑戰在于：

* 如何能夠產生核聚變反應所需要的1.5億攝氏度的高溫環境？（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建較強約束性裝置，包括磁約束和慣性約束兩種技術路線，前者通過巨大的真空環形線圈磁場，即“托卡馬克”，而后者利用功率巨大的激光照射到聚變燃料靶上，燃料向內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生聚變反應。）

* 如何能夠盡可能地延長反應時間？（目前成功運行的托卡馬克裝置的反應時間都是以秒計算的，2021年中國的EAST實現了1056秒的等離子體運行，創造了新的世界紀錄）

* 如何能夠實現經濟性，讓Q值（反應堆輸出能量與輸入能量之比）足夠大？（理論上大于1即可，但考慮到商業化，Q值需要大于10才可以，理想Q值最好能達到30。目前有據可查的記錄由歐洲JET保持 ，Q值是0.67，日本JT-60的理論Q值達到了1.25）

03走慣性約束路線的本次突破

本次的“大新聞”，和上述三個挑戰中的第三個比較相關。

核聚變反應裝置，從輸入能量到輸出能量，中間有多個步驟。這次實現的“凈能量收益”并不是End-to-end的收益，而只是中間環節。

早在2014年，LLNL就曾經實現過類似的“凈能量增益”，只不過當時的定義是“聚變產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，產出的能量僅相當于輸入能量的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。

后者的優勢在于足夠scalable，可以實現“自持燃燒”，進而實現無窮大的能量增益。在托卡馬克裝置中，磁約束核聚變是存在一個臨界點的，只要越過這個臨界點，那么能量增益的具體數值就不重要了，重要的是自持燃燒等離子體的控制，只要往里不停地補充燃料那么聚變能就可以持續釋放。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點的繼續提升，每繼續提高一點都需要艱難的努力。

這就進一步降低了本次“凈能量收益”的重要性。按照嘉賓的說法，“能源部要經費”的新聞PR意義更大一些。（這里一個有趣的點在于，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現最終能量的輸出，即所謂的“燒開水”，不理解為啥不能通過其他類似磁流體發電之類的技術來提高效率。在能量輸出這一點上，人類似乎還挺沒創意的...）

04近期可控核聚變領域爆發的原因

拋開具體新聞，整個可控核聚變領域在最近兩年有爆發之勢。全球的33家商業核聚變公司中有23家都是最近5年才成立的，2021年整個賽道的融資額達到28.3億美元，超過了此前N年的總和。這一輪風口還是由美國公司Commonwealth Fusion Systems和Helion引領，而國內的星環聚能和能量奇點也都拿到了數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，是因為MIT團隊攻克了高溫超導技術，可以產生更強的磁場，讓托卡馬克路線一下子sexy了很多。

提高托卡馬克的磁場強度，是除了將裝置繼續做大之外的另一種提高Q值的方法。磁場更強，限制等離子體的能力就強，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生能量，不再需要建造像 ITER 那樣巨型的動輒耗費幾十年時間才能搞定的裝置。創業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，只需要數億美元就可能驗證成敗。而由于高溫超導材料并不稀缺，這次的技術創新也開啟了一輪創業公司的機會。

05可控核聚變的未來商業化還需要多久

可控核聚變的未來，很可能類似航天，由國家隊+商業公司分工合作完成，國家隊（NASA）負責那些重投入、長周期、風險收益比更低的事情，和商業公司（SpaceX）互為補充。

但無論再怎么降低風險，可控核聚變依舊處在加德納曲線的最早期（類似于腦機接口、量子計算等），挑戰依舊非常大。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這樣的機構，對于短期乃至中期的財務回報要求都不是太高，對于技術發展也有更多的耐心。

可控核聚變的商業化還要多久？之前的笑話是“永遠需要50年”，但如果用勞森判據（等離子體密度、約束時間、溫度的乘積）來看的話，其實一直到2000年左右，可控核聚變的進化類似摩爾定律，是指數級變化的。（這個很有趣，因為宇宙的本源是能量和信息，而如果能量和信息進化的背后都有某種指數性的規律，那么是否愈發說明宇宙其實就是個大模擬器？）

如果不是ITER的扯皮花了太久的時間導致大量研究進度中斷，或許進展還會更快。播客節目里的兩位嘉賓對于“50年”這個時間點都表示謹慎樂觀。

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，實現能量自由，也不是白日夢。在播客里，嘉賓提到了可控核聚變實現后帶來的好處，例如可以不計成本地用燈光去代替太陽光，進而實現農業的顛覆；從汞中提取金；為探索太空提供核動力發動機等等（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，那么很多基本的經濟學假設就被推翻了，整個社會結構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程度，某種程度上更符合第一性原理。

按照卡爾達肖夫的計算方法，鼎盛時期羅馬帝國的卡爾達肖夫指數在 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年的卡爾達肖夫指數大概在0.73左右。

如果可控核聚變實現了，人類文明將一躍從0.73型文明進化到1.5型文明，地球當真就已經容不下我們了...當然，在那一天來臨之前，更為現實的能源演進路線依舊是太陽能、風能、氫能等“傳統”新能源。在核能上，除了聚變之外，傳統的核裂變技術也在發展。

Bill Gates投資的Terra Power采用鈉冷高速反應堆、熔融鹽原子爐等技術，顯著提升了裂變的經濟性和環保性，最快可能在2028年投入運行。盡管這些都不是“終極”解決方案，但它們的確定性要大得多。可控核聚變這類真正的顛覆性技術，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中，wait and hope.”

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名詞解釋：

慣性約束核聚變：慣性約束是實現可控可聚變兩大主流方案之一，美國的國家點火設置（NIF）是目前最大的慣性約束裝置。磁約束核聚變：利用磁場來約束高溫等離子體進行核聚變的技術，是核聚變研究的兩大分支之一。本期嘉賓認為，其發展程度比慣性約束聚變還好，被認為更有前途用于能源生產。托卡馬克Tokamak：托卡馬克核聚變是一種利用磁約束來實現受控的核聚變的裝置，它的特點之一是甜甜圈形狀。

關鍵詞： 托卡馬克 等離子體