David Kirtley: 大卫·柯特利：核聚变、等离子体物理与能源的未来
#485 – David Kirtley: Nuclear Fusion, Plasma Physics, and the Future of Energy
嘉宾：David Kirtley
§01文字稿 1
以下是与大卫·柯特利（David Kirtley）的对话。他是一名核工程师、核聚变专家，也是 Helion Energy 的首席执行官。这家公司致力于建造核聚变反应堆，并在很短时间内取得了惊人的进展，让人觉得这件事似乎是可能的，觉得我们作为一个文明真的能够做到。这令人兴奋，因为核聚变一旦实现商业化，将以清洁、安全的方式解决我们大部分的能源需求，提供几乎无限的清洁电力。问题在于，核聚变极其难以实现。你需要把氢加热到超过1亿摄氏度，并把它约束足够长的时间，让原子发生聚变。所以过去一直有个笑话：核聚变还要再等30年，而且永远都是还要再等30年。
以防你不熟悉，我来澄清一下核聚变和核裂变的区别。顺便说一句，我相信根据 Sample Size 子版块（subreddit）上 pmgoodbeer 发的一篇很棒的帖子，后者在美国更受青睐的读法是 nuclear fission，fission 的读音和 vision 相近；而在英国和其他国家则读作 nuclear fission，读音和 mission 相近。我更喜欢 nuclear fission 这个读法，因为美国嘛。好，如今的核电站使用的是核裂变，它们把重的铀原子分裂开来释放能量。聚变则恰恰相反，它把轻的氢原子结合在一起，这和为太阳及恒星提供能量的是同一种反应。其结果是：燃料清洁、取自水，没有长寿命放射性废物，而且本质上是安全的，因为聚变反应堆不会熔毁。
如果出了问题，反应堆就会直接停下来。而且没有碳排放。从更技术的层面讲，Helion 采用的聚变路线与传统做法不同。大多数聚变研究使用的是托卡马克，也就是那种巨大的甜甜圈形磁约束腔室。Helion 使用的是脉冲式磁惯性聚变。大卫在这期节目中深入讲解了非常技术性的物理和工程细节，聊得既有趣又引人入胜。我认为重要的是要记住，在整个人类历史上，我们一直受限于能源稀缺。文明的每一次重大飞跃，无论是农业、工业化还是信息时代，在一定程度上都来自新能源的解锁。
如果有人能够攻克商业聚变，我们将进入一个能源充裕的新时代，从根本上改变我们人类所能做到的事情。我对未来感到兴奋，也对超级技术向的物理播客节目感到兴奋。这里是 Lex Fridman 播客。如果想支持本节目，请查看节目简介中的赞助商，在那里你也可以找到联系我、提问、反馈意见等的链接。现在，亲爱的朋友们，有请大卫·柯特利。
我们先从宏观图景说起。什么是核聚变？或许也可以说说什么是核裂变？我们先把基础讲清楚。
聚变是驱动整个宇宙的能量来源。聚变发生在恒星中，即便是我们今天在地球上使用的绝大部分能量，也都来自聚变过程。它也为植物提供能量。这些植物变成石油，石油又成为化石燃料，在过去100年里为人类文明的其他方方面面提供动力。所以聚变确实支撑着让我们人类得以向前发展的很多东西。然而讽刺的是，我们还没有在地球上主动利用它来发电。从根本上说，聚变就是把宇宙中最常见的元素，也就是氢，以及氢和氦的轻同位素，聚合在一起，形成更重的元素。
在这个过程中，当你把原子核结合起来、形成更重的原子核时，这些原子核会比各部分之和略轻一些。这源于量子力学的诸多细节，以及那些基本粒子如何结合与相互作用。我们也会谈到强核力，它把原子核束缚在一起，是聚变所涉及的基本力之一。而那部分质量亏损，根据爱因斯坦的 E=mc²，我们知道它同时也是能量。所以在这个过程中，会释放出巨大的能量。我觉得实际的反应要比“它稍微轻了一点，所以释放出能量”有趣得多。
但这就是聚变的基本过程：把那些轻的原子核、那些同位素结合在一起。裂变则恰恰相反，你用的是宇宙中最重的元素，铀、钚，这些东西太重了，内部有那么多质子、中子和电子，以至于它们几乎维系不住。它们本质上是不稳定的，或者说具有放射性，这些元素非常接近于分崩离析。在这个过程中，如果你拿一个铀-235或钚-239原子核，再往里加一个新东西，通常是中子，一种不带电的亚原子粒子，那个不稳定的、非常大的原子核就会碎裂成好几块。很多块，各种各样的碎片。
但如果把所有这些碎片加起来，它们的质量也比最初的那个，也就是最初的铀或钚，略小一些。在这个过程中，同样根据 E=mc²，会释放出巨大的能量。原子物理中有一条非常著名的曲线，讲的是聚变还是裂变，对照着元素周期表来看。从最轻的元素氢，到最重的元素，也就是铀、钚等等。聚变一直发生到铁为止。铁是中间那个神奇的分界点：比铁轻的元素会聚变结合，比铁重的元素会裂变，或者说是可裂变的，会分裂开并释放能量。我会思考并观察恒星中的这个过程：我们的恒星本质上是一颗只燃烧氢的早期阶段恒星。
但当它燃烧并发生聚变时，这些氢会结合成氦，而处于后期阶段的恒星可以接着燃烧这些氦，把它们聚变成更重的元素和碳。这些碳又可以聚变成更重的元素。整个恒星演化过程启发了我们 Helion 去思考什么是聚变燃料，不仅是最简单的那些，还有我们在宇宙各处的恒星中看到的更先进的聚变燃料。
好，我有一百万件事想说。首先，也许把视角拉到最大：如果你纵观数亿年、数十亿年的时间尺度，以及所有那些在我看来存在于宇宙中的外星文明，它们很可能都是由聚变驱动的。所以我们这个先进的智慧文明也是由聚变驱动的，因为太阳就是我们的发电厂。另一件事是物理。还是很基础的问题，不过你提到了几次 E=mc²。你能解释一下这个方程吗？
E=mc² 是一个基本关系式，由一位专利局职员爱因斯坦发现。它开启了物理学和工程学的一个全新领域，向我们展示了原子物理，也就是原子核内部发生的事情，打开了我们对宇宙的理解，并为此后的许多物理学进展铺平了道路。我们把质量看作这些粒子，但实际上，它们同时也是能量，而且所有这些质量中蕴含多少能量，存在直接的定量关系。事实上，所有释放出来的能量，即便是原子物理中的，当然也包括原子反应中的，都遵循 E=mc²。我想大多数人都听说过、也很熟悉这一点。
但在化学中，在化学键里，也存在质量的变化。当你拿氢和氧来燃烧，让它们结合成水时，质量会发生变化。不过，每个原子、每个分子的这种变化实在太小，极难测量，但它确实存在，这就是释放出的能量，而且你可以对它进行量化。我们用电子伏特作为单位，来衡量原子过程或化学过程中的能量。
你能不能也讲讲你提到的不同燃料，包括聚变这边和……裂变这边？裂变用的是铀、钚，聚变用的是氢的同位素？
对于裂变，也就是铀和钚，我们并不制造这些原子核。对人类来说，它们是在原初宇宙中，通过超新星、大爆炸，以及宇宙最初形成、物质被创造出来的过程产生的。所以我们把它们挖出来。我们从地下挖出铀和钚。事实上，大多数钚是我们用铀制造出来的，如果想深入这个话题，我们可以聊聊如何浓缩铀。但我们就是这样获得那些分子和原子核的。至于聚变材料，氢类物质，或者说氢，在宇宙中是原初就存在的，而且就是宇宙中最常见的东西。太阳和恒星都是由氢和氦组成的。所以宇宙中绝大多数原子仍然是氢。
所以裂变的基本燃料已经在地下了，而聚变的基本燃料无处不在？
无处不在。我们特别使用一种叫氘的氢，它是氢的一种较重的同位素。氢通常由一个质子和一个电子组成，原子质量为1。氘的原子质量为2，它有一个质子，即带电粒子，原子核中还有一个中子，即不带电的粒子。这就是作为燃料的氘。氘也存在于地球上所有的水中，就在我现在喝的水里。它在我身体里。它在可口可乐里。
它无处不在。它安全、清洁，是诞生于宇宙中的那些基本粒子之一。我们估计，如果按照我们目前的用电量，让全人类都靠聚变供电，那么地球海水中的氢和氘燃料大约够用1亿年到10亿年。
那它主要以什么形式储存？
主要就是在水里。主要是水中掺有我们所说的重水。你熟悉的、在学校学到的普通水是 H₂O，一个分子里有两个氢和一个氧。而氘水，或者说重水，是 D₂O，两个氘和一个氧。实际上，这是一种挺有意思的混合物，其中有一些 HDO，也就是氢和氘的混合。还有其他的氢。
这一点我想大多数人都听说过、也很熟悉。但在化学和化学键中，也存在质量的变化。当你拿氢和氧来燃烧，让它们结合成水时，质量会发生变化。不过，每个原子、每个分子的这种变化太小，极难测量，但它确实存在。这就是释放出的能量，而且你可以对它进行量化。我们用电子伏特作为原子过程或化学过程中的能量单位。你能不能也讲讲你提到的不同燃料，包括聚变这边和……裂变这边？裂变用的是铀、钚，聚变用的是氢的同位素？
对于裂变，也就是铀和钚：我们并不制造这些原子核。对人类来说，它们是在原初宇宙中，通过超新星、大爆炸，以及宇宙最初形成、物质被创造出来的过程产生的。所以我们把它们挖出来。我们从地下挖出铀和钚。事实上，大多数钚是我们用铀制造出来的，如果想深入这个话题，我们可以聊聊如何浓缩铀。但我们就是这样获得那些分子和原子核的。至于聚变材料，氢类物质，或者说氢，在宇宙中是原初就存在的，也是宇宙中最常见的东西。太阳和恒星都是由氢和氦组成的，所以宇宙中绝大多数原子仍然是氢。
所以裂变的基本燃料已经在地下了，而聚变的基本燃料无处不在。
它无处不在，我们尤其使用一种名为氘的氢，它是氢的一种较重的同位素。氢通常由一个质子和一个电子组成，原子质量为一。氘的原子质量为二，它有一个质子，即带电粒子，原子核中还有一个中子，即不带电的粒子。这就是氘。作为燃料，氘也存在于地球上所有的水中，包括我现在正在喝的水。它在我的身体里，也在可口可乐里。
它无处不在。而且它安全、清洁，是诞生于宇宙中的基本粒子之一。我们估计，如果按照我们目前的用电量，全人类都依靠聚变供电，那么仅地球海水中的氢和氘燃料就足够使用大约1亿年到10亿年。
那它主要是以什么形式储存的？
主要就是在水里。主要是以我们所说的重水的混合形式存在。你熟悉的、在学校里学到的普通水是H2O，即一个分子中有两个氢原子和一个氧原子。氘水，也就是重水，是D2O，即两个氘原子和一个氧原子。实际上，它是一种很有意思的混合物，其中有一些HDO，也就是氢和氘混合在一起。还有其他的氢
我想大多数人都听说过、也很熟悉。但在化学和化学键中，质量也会发生变化。当你把氢和氧燃烧、结合成水时，质量会发生变化。这种每个原子、每个分子的变化非常小，极难测量，但它确实存在。那就是释放出的能量，而且可以量化。在原子过程或化学过程中，我们用电子伏特作为能量单位。你能不能也讲讲你提到的不同燃料，包括聚变方面和裂变方面的？也就是说，裂变用铀和钚，聚变用氢同位素？就燃料而言，这样说对吗？
以今天的功率水平来说，这样说是对的。我觉得有意思的是这样一个想法：当我们人类在地球上部署这种为宇宙提供能量的同一种能源时，我们能否做得更多？我们能否获得多得多的电力和能量，并用它们做一些非常有意思的事情？而且即便人类的输出功率水平高得多，仍然有大量的能源储备——足以供能数百万又数百万年。
是啊，所以当我们开始耗尽氢和氦的那一刻，就意味着我们正在用技术做一些相当不可思议的事情。而那种技术很可能会让我们向宇宙扩张，进而发现其他来源，因为在其他行星上也能获得这些燃料。只要是有水的行星都可以，而看起来越来越有可能很多行星都有水。多么不可思议的未来啊，走向宇宙，核电站遍布各处。好，再多聊聊一些技术细节。你提到了强核力。那么能量究竟是如何产生的？在聚变中，E=MC²里的M是如何转化为E的？
在聚变中，你取氢和氘这样的轻同位素，当你把它们结合起来，让这些分子越来越靠近时，就会发生一些非常有意思的基础物理现象。首先，这些原子核是带电的。它们带有电荷，而同性电荷相互排斥。我想大家都熟悉这一点：你拿两个正电荷，试图把它们推到一起，它们之间的电磁力会让它们相互排斥。所以实际上有一种力在与之对抗。在聚变中，你要设法把燃料加热到非常非常高的温度——上亿度的温度。而温度实际上就是动能；它就是运动，就是速度。
所以这些粒子运动得非常快，即使它们在靠近时存在这种电磁排斥力，它们仍然能靠得足够近，使另一种力开始发挥作用，那就是强力。一旦它们靠近到非常近的距离，大约相当于这些原子核本身的尺度——那些原子核是你能想象到的最微小的东西，而且很可能比你想象的还要小得多——这些粒子就会相互吸引，结合并聚变在一起。此时，你就产生了更重的原子核，其质量略小，系统的总质量略有减少，而这部分质量就按MC²转化为能量。
所以需要极高的温度、极高的速度。也许这也是聚变和裂变之间的另一个区别，就是反应所需的温度不同。这样说准确吗？
是的，我认为从根本上说，在很多方面，聚变很难，而裂变很容易。核裂变在室温下就会发生。铀和钚本身就极易分裂，只要加入一个中子，也就是多一个粒子，它就会分裂并释放能量。如果把很多这样的原子放在一起，就会形成链式反应。聚变则完全不会这样。聚变实际上非常难实现。哪怕只是让一次聚变反应发生，你也必须克服那些电磁力。所以这需要一些条件，比如在我们的太阳中，有一种叫做引力约束的机制，引力——确切地说就是燃料自身的质量——正把燃料拉向太阳中心，一直在拉。
有一股巨大的力把所有燃料拉到一起，将它们维持、约束在一起，使它们靠得足够近、温度足够高、持续时间足够长，从而发生聚变。
那么，如果我们要建造聚变发电机，就必须想办法在没有太阳那种巨大尺度引力的情况下实现这种约束。
没错。显然，太阳比地球大得多，所以我们无法在地球上进行同样的过程。
只是暂时还不能。不，开个玩笑。好吧。
但我们还有其他可以利用的力。我们可以利用电磁力来施加这些力，而这是太阳做不到的。其实我想在这里停一下，指出一个词。历史上，我们在聚变领域一直使用“反应堆”这个词，但我认为这并不正确。对我来说，我们在这个术语上非常谨慎。
当我们看这个词是如何定义的，看专家们如何定义它时，会发现它其实并不适用于聚变。美国核管理委员会（NRC）对反应堆的定义是——我这里正好有——“核反应堆是指除原子武器以外，设计用于或用于以自持链式反应维持核裂变的装置。”这里有两个重要部分：第一，裂变反应。显然聚变不是裂变，我们也已经讨论过原因；第二是自持的部分。反应堆是自持的，你把手拿开，它会继续运行。在聚变中，这种情况不会发生，我们很清楚这一点，因为我们每天都得去实现聚变，而这非常难做到。
所以我们实际上使用“发电机”这个词，因为打个比方，我们不会说“天然气反应堆”。如果你停止添加燃料，它就会关闭。聚变也是一样。我们非常注意确保将其称为发电机：你输入燃料，输出电力。当你停止输入燃料时，它就会直接关闭。你甚至可以更进一步问：“我要用这种为宇宙提供能量的聚变做什么？人类想从中得到什么？”我们想要的是电力。我们想要的不仅仅是一系列反应，甚至也不仅仅是热量和能量。那些也很好，但我真正想要的是电力。
是的，我们之后会谈到你所采用的线性设计方案的技术细节，它的一大好处是能够尽可能快地直接获得电力。其他一些替代方案有一个中间步骤，这些同样属于技术细节，不过我还是想再多聊聊……聚变和裂变之间的区别。从宏观层面看，核聚变作为一种能源有哪些优势？
……从根本上作为一种能源来说。在聚变中，你把这些轻同位素聚合在一起，释放能量，而这些能量是以带电粒子的形式存在的。它已经是电的形式了。聚变本身就内含电力，不需要很多蒸汽或热力系统。这是聚变本身一个非常好的根本优势。此外，这种很难实现的反应会自行停止，因此聚变从根本上是安全的，而这确实是任何工业系统的一项关键要求：它能自行关闭并且是安全的。你把车钥匙拧到关闭，你知道车会熄火。
我想反过来说——虽然是在陈述显而易见的事，但把它讲清楚还是有好处的——核裂变是一种链式反应，所以很难关闭，而且它的工作原理是把水煮沸变成蒸汽，蒸汽带动涡轮机旋转从而发电。你能讲讲核裂变反应堆中的这个过程吗？
在核裂变反应堆中，你把足够多的易裂变材料——铀或钚——放在一起，这样当这些不稳定的分子、这些不稳定的原子裂开、分解时，就会释放热量。分解出的组成部分实际上非常热。铀分裂成的这些组成部分——它们涵盖一整系列不同的原子和原子核——不仅是热的，而且还会释放中子，也就是释放更多这种不带电的粒子。如果设计得当，这些易裂变材料会挨着其他易裂变材料，于是这个中子就会去轰击另一个铀原子核，再次使其裂开，释放更多热量和更多中子。
这就是自持链式反应的发生方式，然后这个链式反应会持续下去。人们设计裂变反应堆时，要让中子数量恰好达到平衡：产生的中子足以让反应持续，但又不能多到让反应加速……因为你不希望它加速。
那还有某种冷却机制吗？这也是其中的技艺和工程的一部分？
关键在于，与此同时，你要确保整个装置都浸在水中，水通常是冷却液。有些更先进的裂变反应堆使用不同的冷却液，但通常是水，水会同时吸收热量和那些多余的中子。然后你利用水和这种流体来驱动蒸汽涡轮机，进行传统的发电，并通过蒸汽涡轮机输出电力。最终你会得到由流动的液体和流动的水构成的复杂系统，用来平衡热量。
裂变反应堆的许多设计都源于这种热平衡：保持反应持续进行，确保它不会加速——因为那将是失控的链式反应，这是你绝不希望发生的——同时平衡冷却和输出，也就是把水导出来。
所以我们应该说，出于你已经阐述过的原因——也许你可以再多讲讲——核聚变要安全得多。它没有链式反应，你可以直接把它关掉。但也应该说明的是，据我所知，目前的核裂变反应堆也非常安全。我认为人们有一种看法，认为核裂变反应堆不安全、很危险，但如果你从经验上看统计数据，这种恐惧并没有得到实际安全数据的支持。你能稍微谈谈这一点吗？
是的，我们一直在聊反应过程本身，但我觉得从根本上说，咱们退一步，看得更宽一点，看看我们真正关心的是什么，那就是发电厂，也就是发电。我是从核工程师的角度来看这个问题的。我花了很多年研究这些系统。我认为，现代裂变反应堆在设计上就是安全的。它们的设计方式是，当反应可能加快、系统温度升高时，系统本身就会被动地、自发地膨胀并冷却下来。现代系统还配备了保护系统，所以从工程角度看，它们相当安全。
所以我认为，我们已经搞清楚了怎样建造核裂变反应堆，让电厂的工程设计本身是安全的。回顾我们一路以来建造的东西，我会说，挑战其实并不来自工程。我认为工程师已经解决了这些问题。问题出在人身上，也出在核电周边的其他环节上。你得先浓缩铀，才能把它放进电厂；电厂是安全的，但你必须浓缩铀，这就是问题的一部分。又比如，一座电厂按设计可以安全运行若干个十年，可我们会不会让它超期运行？
所以我认为真正的挑战就出在这些地方，更多是来自围绕这些系统的人，而不是电厂本身的工程设计。
那我就得问了，你认为切尔诺贝利到底发生了什么？我们能从切尔诺贝利核灾难中吸取什么教训，或许还有三里岛和福岛事故？我觉得你的意思是，这多少跟人有关。
说到切尔诺贝利和福岛，我其实会把三里岛归到另一类。事实上，过去一年里有一条新闻是，我们要重启三里岛，因为对清洁基荷电力的需求太大了。所以这其实是另一个很有意思、值得我们聊聊的话题：我们为什么要这么做，又是怎么做的。但更重要的是，回到这两个系统中确实发生过的事故，你可以指出，那是人的失误，而不是这些系统的工程失误。具体到福岛，同一个厂址上有多座核裂变反应堆，它们在海啸中成功地持续运行，完全成功，后来只是出于更多的政治原因才被关停。
但那座老的，也就是其中最老、在厂址上运行时间很长、也许太长了的那座，我想过去有些专家研究过这一点，问题其实就出在那里。所以，我认为这与其说是电厂工程设计的失败，不如说更多是围绕这些系统的人的问题。我们应该按照设计来运行这些电厂，那样的话我相信它们是安全的。这就引出了原子武器的一些问题，我认为这是核反应堆和裂变反应堆另一个让我担忧的方面。
你能谈谈这些吗？也许这里也正好可以讲清楚核裂变电厂和核裂变武器之间的区别，或许还有核聚变电厂和核聚变武器之间的区别。这里面有什么不同？
聚变电厂不能用来制造核武器。从根本上说，聚变中的过程和核弹、核武器中发生的过程不一样。所以这其实是我投身聚变的一个原因，我们团队大多数人在思考聚变的使命，也就是提供清洁、安全的电力时，也会想到它不能被用来制造武器。我认为这一点和传统核裂变反应堆有些区别：虽然作为核工程师，我完全相信我们现在能建造安全、不会出现失控反应的电厂，但它们使用的燃料，也就是铀和钚，是可以用来制造核武器的。
我们知道，如果把足够多的裂变材料，也就是足够多的铀和钚，聚集在一个很小的体积里，它不只会引发反应，还会引发超临界反应，然后反应持续并增长，一下子释放出巨大的能量。那就是炸弹。那是一种很糟糕的情形，也是我们想要避免的。关键之一在于要认识到，虽然有所谓的聚变炸弹，也就是氢弹，但氢弹里是有铀的。它本质上仍然是裂变炸弹。它的基本原理是这样的：先有一个裂变反应，也就是初级，它产生的辐射引发少量聚变燃料发生聚变反应，然后聚变反应又反过来增强铀的反应。
所以，大部分能量，实际上氢弹中90%的能量，仍然全部来自铀反应本身。
是的，我觉得人们会把它叫作核聚变炸弹、氢弹，但实际上它仍然是核裂变炸弹。只是聚变是让它威力更大的过程中的一部分，但就像你说的，你仍然需要铀燃料。所以把它看作聚变炸弹其实并不准确。
而且如果你拿掉那些裂变材料，拿掉那个核裂变反应，聚变反应就根本不会发生。事实上，几十年来一直有研究人员试图制造纯聚变炸弹，但都非常不成功。按照我们今天的认识，物理和工程都不支持这种事情会发生。我们正在谈的这个话题，更广义地叫作核扩散，指的是世界上核武器的制造以及这些武器的扩散。作为物理学家和工程师，我们知道一件事：聚变不能用来制造核武器。这一点我们是知道的。但这并不广为人知。
我们着手去做的一部分工作，就是和世界上的防扩散专家合作，也就是那些致力于防止核武器被制造、被生产、在世界各地被分享的人，因为我们了解其中的挑战，了解会出现的地缘政治挑战。我们去找了那些防扩散专家，当时我们担心他们会有那种历史上一贯的疑问，比如：“嗯，聚变里有‘核’这个字，所以它肯定有关联。”而事实上，情况完全相反。他们告诉我们的是：“拜托，拜托，务必尽可能快地去开发聚变电厂。
世界需要这个。”防扩散专家告诉我们，否则世界各地的人就会开始浓缩铀，我们就会去建使用浓缩铀的电厂，因为我们需要清洁的基荷电力。但在这些过程中，他们会生产出有朝一日可能被用于原子武器、核武器的燃料。他们担心浓缩铀的增长，想想那些离心机，世界各地出现多得多的离心机，会导致更多的武器，至少是带来这种可能性。所以他们在推动我们尽可能快地去建造聚变发电机，并把它们部署到各个地方。
不只是在美国，而是在全世界，这样我们建的是聚变电力，由它来满足人类的需求，而不是那另一种东西。所以我真的感到又惊又喜。我们已经写了好几篇论文，并且和这些群体就此合作，探讨这意味着什么，聚变电力为什么是安全的、为什么不能被用来制造核武器。
那么，从地缘政治的角度问这个问题可能会挺有意思。我接下来有机会采访几位世界领导人。想请你给点建议，我应该问世界领导人哪些问题，来弄清楚核扩散、核武器、核裂变电厂和核聚变电厂背后的地缘政治？这里面有哪些有意思的、错综复杂的地方是你可以谈一谈的？
我想问的问题是：“你会怎么做？”如果我们能为你提供低成本、清洁、工业规模的聚变电力，几十或几百兆瓦，低成本、清洁、可作基荷，而且没有铀和钚这些裂变材料所带来的地缘政治后果，你会怎么做？这会如何改变你对未来30年的看法？
不过，还有很多地缘政治和石油、天然气……以及其他能源有关，我认为这些在沙特阿拉伯、在中东、在俄罗斯，我是说，在全世界都很重要。这一点也很有意思。那么你是否认为，如果每个人都有核聚变电厂，实际上就能缓解一部分与能源、与其他能源来源有关的地缘政治紧张？
我当然这么认为，因为燃料就在地球上各处的海水里。每个人都有氘，人人都有。所以你不可能垄断燃料。没有人能控制燃料，没有人能切断燃料，没有人能切断管道。这种事在聚变上根本不可能发生。所以，如果我们能部署这些电厂，而且能快速部署，那么任何一个或少数几个国家控制能源的能力就会被剥离开来。
好，那我们回到那个基本问题。我们之前已经稍微提到过，但核聚变安全吗？也就是说，我们正在谈的这些聚变电厂安全吗？
是的，聚变电力从根本上就是安全的。聚变系统本身的物理原理和反应决定了不会出现失控。我们已经谈过围绕电厂、电力系统和工业规模系统的一些人为因素，而这是我们从今天起就融入这些系统设计中的东西。我们会研究这些系统可能如何失效。事实上，我们做的一些分析，是过去几年里为美国核管理委员会做的，研究如何监管聚变电力。在建造第一座聚变电厂的过程中，我们需要确保自己受到安全的监管。所以我们花了很多时间，在美国就如何监管聚变论证技术层面和政治层面的理由。
我们做的分析假设有一座正在运行的聚变电厂，然后在任意某个时刻，一颗陨石撞上了它。整座设施都被汽化了。那会造成什么影响？这比你能想象到的任何实际物理情景都要糟糕，但我们就从这里开始。答案是，你不需要疏散聚变电厂附近的居民。我在思考这个问题时，认为关键之一在于燃料。在聚变发电机里，你是在持续不断地注入这种氢，也就是这些氘燃料。在任意时刻，Helion的聚变系统以及大多数聚变系统里，系统中只有够运行一秒钟的燃料。所以这意味着，如果你停止开启……
如果你停止向系统中注入燃料，聚变就会停止。但这同时也意味着，如果真的发生了什么灾难性的事情，不管出于什么原因，你有那么多不在系统里的燃料，而聚变又极难发生，你用陨石撞它，或者做任何类似的事情，聚变都不会发生。那些氢、那些重水、那些氘，只会安全、干净、毫无问题地回到环境中。这就是聚变根本的安全机制。你可以把它和其他类型的电厂比较一下，比如燃油电厂或燃煤电厂。你可能有一大堆煤，然后着火燃烧起来。
这算不上灾难性的，但你会有一场大规模的煤火持续很长时间，释放出有毒烟气，你可能得去处理。在核电中，在裂变电厂里，堆芯中可能放着好几年的燃料。在那种情况下，如果发生了什么不好的事情，所有那些潜在的能量都可能引发后果。但在聚变中，系统里任何时候真的就只有够运行一秒钟的燃料。有一罐氘，我们身边一直都有这种东西，它本身是无法发生聚变的。它需要那套复杂的系统。
我很喜欢这个画面：某场秘密会议上有人在放 PowerPoint，讨论陨石撞上聚变电站会怎么样。好，这真的很有意思。那废料呢？聚变电站会产生什么样的废料？
聚变反应本身从根本上说仍然是一种原子反应。所以在反应过程中，确实会产生电离辐射。会产生 X 射线、中子，还有各种带电粒子。聚变反应产生的带电粒子都被约束在聚变系统内部。X 射线和牙科诊所里的类似，只是量要大得多，但属于同一类 X 射线，这些 X 射线的能量会被聚变系统吸收。我们真正关心的是那些中子。所以聚变系统确实存在活化问题。系统运行时会产生中子并向外逸出，因此我们必须在运行期间对聚变系统进行屏蔽。
这其实非常类似，事实上，这也是过去这些年我们和美国核管理委员会（NRC）合作开展的大量工作。NRC 达成了一项具有里程碑意义的共识，并在去年通过一部名为《ADVANCE 法案》的法律正式写入法律。这非常有分量，因为它第一次明确了美国政府将如何监管聚变，美国政府在这方面走在前面，我为此感到非常自豪。这会涉及一些细节，但美国核管理委员会对核相关事物的监管，是分成不同的法规条款来进行的。核反应堆受一个叫“第 50 部分”（Part 50）的条款监管。
围绕这部分的监管条文五花八门，但大部分是用来管理特种核材料，也就是铀和钚的。而聚变不涉及这些。聚变受一个叫“第 30 部分”（Part 30）的条款监管。医院、粒子加速器以及其他类型的辐照装置都是按第 30 部分来监管的。这些设施在运行时会产生非常高能的粒子和电离辐射，你必须保护操作人员免受辐射。你得给他们做屏蔽，所以我们会建混凝土屏蔽墙。如果你来 Helion 参观，会看到塑料屏蔽，也就是含硼聚乙烯，还有混凝土屏蔽，用来在聚变反应进行时保护操作人员和设备。但还是那句话，你把它们关掉，聚变反应就停止了。这才是真正的关键。
这方面有个好玩的故事。我们建造能实现聚变的聚变系统已经很久了，到某个阶段，它们的功率足够大、产生的聚变反应足够多，我们就开始建造这些屏蔽，像屏蔽粒子加速器那样去屏蔽它们。我去找了负责第 30 部分监管的机构。在华盛顿州，这个机构是卫生部。于是我去了卫生部，说：“这是一份按粒子加速器类别申请的聚变发生器屏蔽许可。”我被问到的第一个问题是：“好的，病人在哪儿？”因为标准表格是按医院的情况设计的，有病人、有粒子加速器给病人的剂量，然后才是屏蔽。
我们详细讨论了屏蔽和操作人员，这部分和 Helion 的系统非常相似。我们说：“不，不，完全没有病人。没有人会待在这个东西里面。我们的目标是有一天能发电。”那是很多年前的事了。我们得以和州政府机构一起推进，为这些聚变粒子加速器办理了许可。据我们所知，我们最早的那几台系统是有史以来第一个以粒子加速器身份获得许可的聚变系统。我们拿到的第一张许可证是在 2020 年。此后，我们又为自己建造的、能够实现聚变的多台聚变系统办理了许可，既包括屏蔽，也包括部分燃料工艺。
那从宏观上讲，建造核聚变电站有哪些不同的方法？你能解释一下什么是托卡马克，什么是仿星器，以及 Helion 采用的直线型方案是什么吗？
实现聚变有很多种方法。从根本上说，所有聚变方案都在尝试实现同一个物理过程：拿来这些轻质同位素，把它们加热到能高速运动的程度，也就是超过 1 亿度，再把足够多的粒子聚到一起。我们把这叫作密度。也就是在一定体积内聚集足够多的粒子，让反应以更高的速率发生，并让它们在一起待足够长的时间，使它们能够相互碰撞、发生聚变并释放能量。这就是最根本的核心。至于怎么做到，怎么把这些粒子聚在一起，怎么让它们在一起保持足够长的时间，人类从 1950 年代起就一直在探索各种各样的技术。
我把它们分成几个主要类别。如果你看看全世界的聚变资金，政府资金和私人资金的分布其实很不一样，这个话题本身也挺有意思。但在公共资金方面，在美国的联邦资金里，有两个主线项目，分别叫惯性聚变和磁约束聚变。惯性聚变要做的，是通过各种物理手段把这些粒子聚拢、挤压到一起。你把它们挤到一起。最常见的叫激光惯性聚变。我们在国家点火装置（NIF）的同行在这方面做得非常好，过去几年创造了世界纪录，证明了这件事可以做到，而且可以规模化地做到。
做法是用功率非常高的激光，以脉冲方式汇聚到一起，在一个脉冲内、在极短的时间里实现聚变：纳秒级，也就是十亿分之一秒。另一个极端，就是你提到的托卡马克和仿星器。仿星器其实是我最喜欢的，所以我们会聊聊它。在聚变领域读研究生时，仿星器是你最先学的东西。因为仿星器有一个能完美求解的数学解。你可以把它写出来、解出来，从解析上看非常简单。但造一台却非常难。人类花了几十年时间才有能力建造仿星器，现在我们做到了，过去几年投入运行的文德尔施泰因 7-X（Wendelstein 7-X）就是世界上最顶尖的仿星器。
我得说，从工程角度看，所有这些实现聚变的方法看起来都酷毙了。要做出这种约束，温度极高，密度也极高。所有东西都在超高速运动。所有事情都发生得飞快。人类居然能做到这件事，真是太迷人了。有些东西，比如加速器，多少也有点这种感觉，但这个更酷，因为你是在用这台机器产生能够为人类供能的能量。总之，你能再多讲讲惯性聚变系统和磁约束聚变系统吗？
在磁约束系统里，你的目标不是尽可能快地把这些粒子挤到一起。你的目标是尽可能长时间地把它们约束住。为此，我们使用磁场。我们先退一步说。什么是磁场？就电磁铁而言，产生磁场的方法有很多种。最有名的一个，我想大家都熟悉，就是地球本身。地球有我们所说的磁层，这是由地核产生的磁性保护层。地球周围有一个磁场，这个磁场保护我们免受来自银河系的粒子，也就是银河宇宙射线，以及本会到达地球的太阳粒子的影响。
这个磁场，你用指南针的时候，看到的就是来自地球的磁场。所以我们知道它存在，而且无处不在。但我们用电流产生磁场的方式有点不一样。我们的做法是用一个导线环，最简单的理解方式就是一个真正的圆形线圈。在这个线圈里有电子，有电流在流动。当有电流时，这就涉及我们在 19 世纪发现的麦克斯韦方程组的一部分内容，当导线中有电流时，它会在导线圈内部产生磁场。所以你看聚变系统，总会有这些通着大电流的大型磁线圈。我们通的可不是一点点电流。
在我们的系统里，电流达到数百兆安。想想你家里，配电箱是 200 安的，也可能是 400 安的，而我们通的电流是 1 亿安。要做到这件事，需要海量的电流。磁线圈内部产生的磁场有一些非常特别的性质，我们正是利用这些性质来实现聚变。其中有些性质并不直观。我最喜欢的一个是这样的：当你有一个电磁场，也就是有一个通着电流的线圈，线圈内部有磁场，然后你放进一个试验粒子，一个带电粒子，比如电子或离子。
你可以想象，为了产生磁场，我有一个线圈，电子在里面绕着走。但如果我在它中间、在这个磁场里放进一个粒子，就会发生一些非常有趣的事情。那个电子或离子，那个带电粒子，就处于所谓的“磁化”状态。磁化的意思是它被困在那条磁力线上。更有意思的是，它还会绕着那条磁力线振荡。我是这样理解的：再想想地球的磁层，想想那些带电粒子，极光，也就是北极光，就是被困在地球磁场里、沿着地球磁场运动的带电粒子。
同样地，在聚变中，我们在地球上做的是同一件事，只是尺度更小：我们把这些粒子困在磁场上，它们可以绕着运动，并一直被束缚在那条磁力线上。
在这个尺度上，物理规律被理解了多少？比如说，当你用这种方式施加磁场时，这些系统会如何表现。这现在从根本上说是一个工程问题，还是说关于系统的行为方式还有新的物理有待发现？
在聚变中，我们用到的物理其实相当古老。基础的电磁物理是 19 世纪的物理。基础的原子物理是 20 世纪初的。所以这些系统如何运作，其基础物理已经理解得非常透彻了。难的是把它们全部整合进一座电站。你可以做数学推导，每个刚入门的研究生都会对仿星器做一遍推导，然后说：“我要做的就这些。我只需要做一个形状非常复杂的磁线圈，聚变就会发生。”然而，在实践中做到这一点其实相当有挑战性。
那也许你可以再多讲一点。仿星器和托卡马克，这两者有什么区别？它们都是磁约束聚变系统。然后 Helion 做的又是什么？
托卡马克和仿星器都是磁约束系统。它们的目标都是产生这种磁场，并把聚变燃料约束足够长的时间。就像我提到的，这些带电粒子被困在磁场上。事实上，它们在振荡。我们把这叫作回旋轨道，也就是它们绕着磁场振荡的半径。我们一直在聊原子物理，那里的一切都处在纳米尺度。但回旋轨道不是。这些聚变粒子的回旋轨道是以英寸来计量的。所以它们处在一个我们能看见、能测量、能非常直观地理解的尺度上。
在磁约束系统里，你的目标很简单：尽可能多地把这些粒子困住，困得足够久，并把它们加热到足够高的温度，让它们相互撞击。它们碰撞得足够多，就会发生聚变，而且聚变的量要足以抵消粒子流失的速度。这就是你把粒子放进磁场、试图把它们约束住时会发生的事。难点在于，要把它们约束足够长的时间真的非常困难。这些粒子一直在到处运动，速度极高，每小时数百万英里。它们彼此碰撞，被撞开、被撞飞出去。
我们已经聊过惯性聚变，也就是尽可能快地压缩聚变等离子体来实现约束；也聊过磁约束聚变，就是单纯用一个磁场，目标是尽可能长时间地把等离子体约束住。但还有另一种实现聚变的方式，从某些方面来说，它是最早取得成功的聚变路线之一。作为科学家和工程师，我们起名字可能不太有创意。Helion 所用的技术，我们叫它磁惯性聚变，因为它两者都沾一点。
要理解这一点，我们其实可以稍微回顾一下历史，想想这些聚变路线是怎么演变过来的。在我们看来，我们使用的技术是建立在 20 世纪 50 年代一些非常成功的物理实验之上的。在那些系统中，最早的聚变先驱们说：“我知道了，我们理解其中的物理。我们必须把这些气体加热到 1 亿度，然后约束它们，把它们推挤到一起，让聚变发生。”那么，最好的办法是什么？最早的一些项目，我们称之为θ箍缩（theta pinch）。这些项目采用的是线性构型，因为我们当时知道怎么造这种磁体。
它叫螺线管，就是把一系列电线圈排在一起，让电流通过，从而产生磁场。好，这样你就有了磁场。现在把聚变粒子加进去，对吧？你把聚变粒子加进了这个螺线管。问题来了：这些粒子待在这个漂亮磁体的磁场里，会逃逸。它们会从两端跑出去，因为两端没有任何东西挡住它们。好，这说得通。所以这样行不通，对吧？于是下一种思路是，聚变研究的一个分支说：“好吧，为了解决这个问题，我们干脆把螺线管弯过来，做成一个大甜甜圈。这样粒子在逃逸的时候，就只会一圈又一圈地绕着跑。”很好，这是个很好的思路。
聚变研究的一个分支就朝这个方向发展，后来演变成了仿星器和托卡马克。它们是把螺线管弯绕起来的不同方式，让等离子体在磁场中一圈圈地绕行，让这些带电粒子被约束足够长的时间，从而发生聚变。但还有另一种做法。θ箍缩就是在 20 世纪 50 年代诞生的，思路是：“拿这个磁场来说，哦，粒子想逃逸。好，那就别让它们逃。我们把瓶子封上，把两端封住。”于是我们让两端的磁场强得多。这种装置叫磁镜。设想是让粒子在两端之间来回反弹。
这确实奏效了，粒子变得越来越热、越来越热。但你猜怎么着？正如你能想到的，在这种磁镜构型、这种线性构型里，内部压力会升高，也就是粒子压力，粒子会反过来推挤磁场。这时它们想要逃逸。它们越来越热。就像你能想象的，气球里的热气体会想从两端跑出去，你没法把两端收得足够紧来把这些粒子留住。事实上，问题在于逃逸的恰恰是最热的那些粒子。所以你加热做得越好，它们就全都从两端跑掉了。于是下一轮迭代的思路是：“好吧，那我们干脆不去长时间约束它了。”
“我们为什么不挤压它呢？”也就是说，与其一直持续地约束它，不如现在去压缩它。于是我们造了这个螺线管，把两端箍紧，然后压缩它。我说的压缩，并不是真的去挤压磁体、改变构型或者移动任何部件，而只是迅速增大磁场。也就是从一个仅仅用来约束的磁场，变成——你可以想象那些粒子正在一起绕着流动——迅速增大磁场，让这些粒子彼此靠得越来越近、越来越近。这样就提高了密度。这时聚变才开始真正大量发生。但他们最终撞上了一个技术极限。
所以每当我回顾这段历史，看那些先驱者时，我就会想到这一点。1958 年，有一些开创性的工作完成了。那是在加利福尼亚，也就是后来的利弗莫尔实验室。其他国家实验室也做了一些工作。这些都是联邦政府资助的项目，用来探索这种θ箍缩构型：你能不能足够快、足够狠地把等离子体压缩下去？那是 1958 年。晶体管当时还只是待在实验室里，而他们却在接通数百万安培的电流。而且他们是在——我们还没聊过时间尺度——他们是在百万分之一秒内完成的。微秒级，兆赫兹的速度。而这是在 1958 年。
没有晶体管，没有 CPU，也没有电开关，没有任何我如今每天都视为理所当然的东西。而他们当时就能展示出性能最高的聚变系统。他们达到的温度……他们没达到 1 亿度，当时还差一点，但达到了 5000 万度。他们的表现超过了聚变领域的其他所有方案，但他们触及了技术极限，再也造不出更进一步的装置了。于是这些先驱转向了另一个方向，开始走激光惯性这条路，他们说：“好吧，我们做不了这些电磁箍缩，但现在有了一项新发明：激光。”激光能在纳秒内开启。它很快，很有意思。那我们就走这条路吧。
而且并不是……你得快进几十年，到后来有研究人员发现，某些θ箍缩装置在以一种非常特定的方式运行时，出现了别的现象，出现了新的东西。这些等离子体，以前他们用力挤压时，就像挤一管牙膏一样，会从两端喷出去。而现在它不再从两端喷出去了。它实际上会反推回来。它保持在约束之中，一直被困在这个线性构型内部。尽管两端是开着的，等离子体也没有跑掉。于是有大量项目开始追问：“这到底是怎么回事？”这是等离子体物理中的一次意外发现，有新的现象在发生。我们发现的，就是现在所说的场反位形（field-reversed configuration）。
有很多 FRC（场反位形）项目，国家实验室里有。现在实际上也有不少私营公司在建造场反位形装置。它们有一些非常独特的性质，但从根本上说，谈到主要区别：我前面描述的是螺线管，磁场贯穿整个体积的中心，等离子体被困在里面来回运动。但还会发生一些别的事情，这非常有意思。
他们早期发现的是，如果磁场沿一个方向——也就是说，电流绕着线圈环路流动，等离子体沿着螺线管内部、θ箍缩装置内部的磁力线来回运动——然后他们改变磁场的方向。这就是我们所说的场反转，而这正是关键所在：一开始等离子体沿一个方向运动，然后非常迅速地改变方向。你改变方向，把磁场的方向反转过来。这时会发生非常有意思的事情：等离子体，也就是这些聚变燃料、这些被困在磁力线上来回运动的带电粒子，你改变了方向。
这意味着你试图把那股电流和那个磁场的方向反过来、翻转过来，但等离子体来不及跟着翻转。等离子体就待在那里，你没法移动这些粒子。所以真正有意思的是，由于粒子动不了，而你已经把磁场方向翻转过来、颠倒过来了，就会发生一件非常非常独特的事情：等离子体自身在内部发生了重联。于是现在你剩下的是外部的磁场、一个电线圈，而在内部，等离子体以前是沿着磁力线运动的，现在则在内部绕行。
迅速反转磁场，等离子体就会自组织成一个闭合的场。什么？那这是怎么……
听起来很疯狂。
这真是……是的。首先，我有一百万个问题。其中一个是，“迅速”是多快？我们说的是什么时间尺度？
你必须在高温气体粒子来得及移动之前，先把电流反转过来。（原文在描述温度时转写不清；随后一段明确，所需时间量级为百万分之一秒。）
好的。
这意味着我们得在大约百万分之一秒的量级上完成。
哇。
我们得在百万分之一秒内完成。
哇。
实际操作中，这很难。我们之所以现在能做到，是因为有了半导体开关。因为我们能让东西动起来，能进行开关切换。就像每台电脑 CPU 里的晶体管以吉赫兹的频率开关，也就是说它在一纳秒、十亿分之一秒内就能完成一次切换。所以现在——在 20 世纪 50 年代发明这些θ箍缩装置时我们还没有——但现在我们有了能做到这一点的半导体。
自组织的等离子体。你能讲讲这个吗？它到底在干什么？我们是怎么发现的？我们怎么理解这种自组织机制，理解等离子体能够自我约束的这种动力学？
我想在这里用一个类比。一旦你把它造出来了，理解起来其实还算比较直接。要做到这一步很棘手，而他们第一次是怎么发现它的，简直令人惊叹。但一旦造出来，理解起来就简单多了。在一个磁线圈里，当你有一个圆形电线圈时，线圈中有电流流动。如果线圈内部有一个导体，有另一块金属——这叫楞次定律，属于麦克斯韦方程组之一——那么当线圈中有电子、有电流流动时，附近的金属块中就会感应出一个大小相等、方向相反的电流。
这和变压器里发生的事情是一样的：变压器有一个初级线圈，里面有电流流动；还有一个次级线圈，里面的电流方向正好相反。我们在日常生活中每天都在用这个原理。所以在这种情况下，你有一个导体，一个能让电流流过的电导体，外部有电流流动，内部也有电流流动。在这种情况下，现在你……我描述的是两块金属。现在我们再进一步：内部那个导体不再是一块金属了，而是这种高温气体，也就是等离子体，这些带电粒子。于是现在，等离子体中就有电流在流动了。
这真的非常非常有意思。我们刚才谈到这些电荷来回移动。而移动的电荷就是电流。所以在我们讨论过的每一种等离子体条件下，无论是托卡马克、θ箍缩还是仿星器，等离子体中都有电流流动。但在场反位形中，等离子体里流动着大量电流，数量极其庞大。这就是关键所在。所以你有一个中心芯部，电流在这个变压器里流动，如果你愿意这么理解的话，就是有初级和次级。而最疯狂的部分在于：这股电流……嗯，我之前是怎么描述磁体的？电磁体就是一个有电流流过的线圈，它会产生磁场。
对于θ箍缩、磁镜和托卡马克来说，等离子体被困在那个磁场里。但在FRC中，这股电流本身就是等离子体。然后这个等离子体产生自己的磁场，再被困在它自己的磁场里。
这太迷人了。
这就是关键。所以在你的托卡马克里，在你的甜甜圈里，在你那个造型古怪的甜甜圈，也就是仿星器里，你先制造磁体，再把等离子体困在里面。而在FRC中，你制造等离子体，等离子体自身充当磁体，然后把自己约束住。在我看来，最疯狂的是，我们其实在自然界中一直能看到这种现象。看看太阳，我们会看到太阳耀斑。说到太阳耀斑，我们都见过那些照片：太阳的光球层，以及一道巨大的等离子体弧从中伸出。那团等离子体中有电流流动，然后我们看到这个太阳耀斑从太阳上撕裂脱离。
然后这个太阳耀斑可以一路流动，继续进入太阳系，而且至少在一段时间内，它会形成一种叫等离子体团的东西。实际上，在这个等离子体团中，电流在等离子体里流动，产生磁场，让这团等离子体维持得比原本更久。我们观测这种现象已经有100年了，我们知道这些等离子体团也很久了，也有研究人员尝试有意地制造它们。但从根本上说，这就是我们每天在做的事：我们制造这种自组织的闭合磁场等离子体。
而且是以一种更可控的方式，以百万分之一秒这样的快速节奏进行，还要能够确保它可靠、稳定，诸如此类。那么，顺便问一下，你们怎么让这东西保持稳定？
难点就在这里，因为我刚才描述的是太阳耀斑。没错，我们看过它们的照片，但我们也观察过它们：它们出现，从太阳飞离，然后消失，而这不是我们在聚变中想要的，对吧？我们希望能够控制它。所以这就是这份工作的难点。这也正是过去这些年里，我们自己和其他人一直在这些脉冲式、闭合磁场的FRC系统上学习如何做到的事情。
我们先谈谈怎么制造它们，然后再谈怎么让它们稳定，因为这是两件不同的事，而我们在两者上都花了大量时间。我们谈到过时间尺度。你必须让磁场反转。你必须在百万分之一秒内改变电流。那要怎么做到呢？我把这个系统描述为由一系列磁体组成。外面有一个磁场，而在它里面，有这个甜甜圈，也就是这个拥有自身电流的FRC。我们还没谈到这一点，但它产生了一个磁场，而这个磁场具有压力，这是另一件非常有意思的事。我们谈到过θ箍缩是如何压缩磁场的。
它在外部施加压力。但等离子体本身在内部也有压力，其中有粒子压力，也就是粒子实实在在地来回碰撞。想想气球里的热气体，粒子在膨胀，按照理想气体定律在气球里膨胀和收缩。但它们也有磁压力，电磁作用在往回推。所以我喜欢把它想象成特斯拉里的电机。你的电动车里有一台电动机，这台电机有一系列绕组。你让电流流过这些绕组，在这里电流来自电池。踩下油门，电流从电池流入电机，流入那些绕组，产生一种电磁力，技术上叫作洛伦兹力。
这种电磁力会在电枢上，也就是在转轴上，感应出电流。这有点涉及细节了，但在电动机里，真正旋转的就是电枢。所以电机的外部不转。你让电流流过外部，而内部会转。正是这种电磁力让电枢旋转。在我们这里，我们在那个电磁体中感应出电作用力，就像在电枢中一样，把电流注入等离子体。我们可以利用这种力做一些有意思的事。这种电磁力可以压缩聚变等离子体，也可以让聚变等离子体膨胀。但问题在于：它是不稳定的。
所以这是你作为聚变方向的学生，在研究生阶段很早就会学到的东西：你会学到所谓的高β（高比压）等离子体。
我到处都能看到这个等离子体β。这个等离子体场能量与约束磁场能量之比到底是什么？请解释一下。
等离子体β是磁压力与粒子压力之比。（原文对这一比值方向的表述存疑，待核。）从根本上说，这意味着，我讲过你有一个磁场，等离子体被困在那个磁场中、附着在磁场上。但它被困得并不牢靠。它可能逃逸。它可以从两端离开，在那个方向上自由穿行，也可以横穿磁场运动。所以我们有一个叫等离子体β的术语，它让我们了解等离子体被困得有多牢。当你对这个等离子体施加磁压力、施加磁场时，它会往回推，那它是推回一点点，还是推回很多？对于场反位形，在我们的等离子体中，β非常接近1。
事实上，通常按定义，在系统中的任何一点上β都等于1，这意味着每次我对这个甜甜圈施加磁力去压缩它时，里面的等离子体粒子都会往回推。
真正有意思的是，磁压力有一个公式，就是B的平方除以2μ₀（mu naught）。磁场的平方就是外部磁压力。任何地方的任何磁场都会产生这种压力。但等离子体粒子本身也有压力。这就是理想气体定律，我们用NKT来定义压力，即密度、玻尔兹曼常数和温度。在高β下，两者相等：B的平方除以2μ₀等于NKT。所以对于一个已知的磁场，我就知道等离子体的密度和温度是多少。再回到前面说的，我们谈论聚变时说过，它必须足够热，也必须足够致密。那就是N和T。
所以现在我在磁场与聚变燃料的密度和温度之间有了一个非常明确的方程，这一点非常关键。所有等离子体都有某种……所有聚变等离子体都有某个β值，某个数字。FRC拥有最高的β之一，β等于1。然而，你在学校第一次学β的时候还会学到，高β等离子体通常是不稳定的。一个好的理解方式是，托卡马克、加速器是稳定的，因为那些在甜甜圈里绕行的等离子体会对这个甜甜圈施加一个力，但这个等离子体甜甜圈被所有那些磁场、所有那些磁线圈牢牢地固定住了。如果它试图移动，就会被那些磁线圈约束住。但在FRC中，它是不受约束的。
所以等离子体是受约束的，但整个拓扑结构可能发生一种叫作倾斜的现象，也就是整个等离子体甜甜圈因为处于压力之下，可能会直接翻过去。我的理解方式是，想想……电机是个好例子。在你的电机中心有一个电枢，一个旋转的电枢。里面有这个旋转的磁体，它被磁体的主轴固定住，哪儿也去不了。我们没有那根轴。我们的这些聚变系统内部没有任何机械部件。它们有1亿度。你不可能在里面放任何机械部件，所以我们没有任何东西可以固定住它，因此它是不稳定的。
所以当你学习FRC时，这是你学到的第一件事，而我们花了好些年才弄清楚一个能让它们稳定的参数。这一点相当根本，但大多数听说过FRC的人都没有理解这个非常关键的事实。我们有一个参数，叫S*/E（S星除以E）。我们这就真的深入到物理细节里了，不过……
来吧。
但这真的很重要，这里有个很好的类比，就是陀螺。真的就是陀螺，一个旋转的陀螺。你让一个陀螺在桌上旋转。你知道它会转一会儿，然后倒下。它是不稳定的。然而，如果你转得足够快，如果你拿一个陀螺，让它转得足够快，给这个系统注入足够的角动量、足够的转动惯性，它就会保持直立，尽管它想倒下，尽管它是不稳定的。我们在FRC中做同样的事：如果你能把它驱动得足够快，如果你能给粒子加入足够的动能和惯性，它就会保持稳定。不过，你还能做另一件非常关键的事。我们现在并不局限于一个很细的陀螺。
我们其实可以把它做得大得多。这里很好的类比是，你有一枚硬币，你在转这枚硬币，如果你转得越来越快，它会转得更久。然而，它最终会慢下来并倒下。但如果你有一卷布基胶带，如果你有某个更粗、更重、更长的东西，绕着同一根轴旋转，它会转得更久，这既是因为惯性，也是因为几何形状。所以我们有这个叫S*/E的参数。S*是混合动理学参数，它告诉你从陀螺的角度来看它有多稳定；E是拉长比，也就是它有多长。
所以，也许是机缘巧合，感谢大自然在这里给了我们一次胜利：我们在这些长螺线管中制造它们的方式，天然就会让它们非常非常长。所以我们可以把它们造得非常长，如果我们能把它们驱动得足够快、足够猛，驱动离子以非常高的速度运动，我们就能抵御那些不稳定性，让它们保持稳定。所以我们现在知道，可以按给定的S*/E参数进行设计，可以把它们设计成寿命很长。关于我们制造的这些系统，理论认为它们最多只能持续几微秒。我们和这个领域的其他人已经能让它们持续数千微秒，是基本判据所给出数值的数千倍。
所以我们现在知道怎么做到这一点了，我们只是在设计时就把它内置进去。
你能再多解释一下S*/E吗？它是给定的，还是一种涌现出来的东西？比如说，在哪个阶段……它是结果，还是……要求？
这是个好问题。它是系统的一项要求，也就是说你必须在设计时就考虑到这个参数。
明白了。
难点在于，你在设计时必须让整个过程始终满足S*/E所对应的稳定性条件。
对。
这里还有一个额外的诀窍。S*/E同时也是温度的一种度量。
天哪。
对，对，没错，这一切都要回到温度上。你把它们加热得越热，其实是同一回事，温度就是动能，它们转得就越快。所以如果你拿个陀螺，让它转得更快，它就更稳定。但你得把它加热。所以诀窍就在这儿：怎么让一个一开始是冷的东西变热？而按定义它又必须是热的。所以我们日常工作的挑战之一，就是得到这些高温等离子体。其他人尝试做 FRC 却不太成功，原因就在于他们没法足够快地把它加热到足够高的温度。它在变热之前就倒了、倾斜了。所以我们在电气工程上花了大量……
从某些方面来说，Helion 有些时候与其说是一家聚变公司，不如说更像一家电气工程公司，专注于怎么让电子设备足够快，好尽早把它加热到足够高的温度，从而让它在整个过程中都保持稳定。
所以你们是要达到1亿度。怎么才能快速达到那个温度？顺便问一下，你能说点什么，帮像我这样的人理解1亿度是什么样子吗？这听起来太疯狂了。那个世界是什么样的？我猜就是所有东西都在飞快地运动。就像你说的，你没法往里面放任何机械的东西。
对，有几件关键的事情会发生。当气体那么热的时候，会……我们会讲到物质的状态。有固体，比如冰，它是冷的。原子被束缚在晶格结构里，彼此结合在一起。然后是液体，你打破了许多晶格结构。它们可以四处移动。它们有一定的动能，但仍然相当受约束，会待在碗里。继续加热，现在就到了气体。这时这些粒子可以自由移动。它们四处运动，一直在彼此碰撞弹开，而你还可以从这里继续加热，这就要讲到更多的物质相态了。这里我们可以再多加一点物理。我们会讲到稀薄气体。
所以当我们想到人类接触的大多数气体时，它们表现得像流体。我的意思是，它们彼此碰撞得非常频繁，以至于任何一处的粒子，这里的空气和这里的空气温度都大致相同。这些粒子彼此碰撞弹开，就好像如果你在这里放一个非常热的粒子，它随后就会冷却下来，使所有空气的温度大致相同。但气体也可以处于所谓的稀薄状态，这就像太空。这时你有粒子在四处运动，但它们彼此碰撞得并不频繁。
所以你可以有一个能量非常非常高的粒子和一个能量很低的冷粒子，它们甚至可能根本不会接触，但也许偶尔会撞到一起、发生碰撞，然后传递能量。这就是我们说的稀薄。然后你还可以加热到比这更高的温度，这时实际的原子态，也就是包含原子核（由质子和中子组成）和一个电子的原子，变得非常热，那个电子获得能量后逃逸，离开这个体系。这时它们就带电了。你有一个带正电的原子核和一个带负电的电子漂在外面，这大约发生在1万度这个量级。所以比我们习惯的温度高得多。但现在，我们还要更热。我们要把这种等离子体加热到更高的温度。这意味着什么？
到了那个程度，我们思考温度的很多方式其实就不太适用了。那种认为粒子在做随机运动的想法不太适用，因为现在它们都是以极高速度运动的单个粒子。所以它实际上就是对速度的一种度量。它其实就是在度量那个粒子运动得有多快。到了1亿度的时候，我就是这样理解温度的。所以它会出现更复杂的情况。如果你有这样一个高能粒子，这也是我们喜欢聚变的原因，它以很高的速度运动，另一个也以很高的速度运动。它们会相遇，会碰撞，然后会发生聚变。
但也会发生其他事情。你不希望任何材料接触那种高速粒子，因为它会撞上那种材料，损伤那种材料，通常还会把那种材料轰掉一些碎块。所以我们不那样做。我们把这些带电粒子约束在磁场里。这样它们只是来回弹跳，永远不会碰到任何东西。这一点非常重要。所以与其用我们平时理解冷热的方式去想它，不如更多地从速度的角度去想。
所以我们应该想象的是极其快速的运动，大概是多少？每小时100万英里？这么说准确吗？
对这些系统来说，差不多就是这个数量级。
太疯狂了。所以你们是希望它们碰撞。好，首先回到前面的话题，关于快速达到那么高温度这个问题的复杂性，有没有什么有意思的见解、诀窍，或者任何你能分享的？
所以，如果温度就是速度，那就意味着它们在给定的空间里快速运动。速度等于距离除以时间。所以如果你有一台一定尺寸的机器，而粒子运动得非常快，这就告诉了你那个粒子在机器里从一处移动到另一处所需的时间。事实上，如果是每小时100万英里，那大约是每秒100公里的量级，你可以把它反过来说，就是以“米每微秒”的量级在运动。
也就是“英尺每百万分之一秒”。这从根本上告诉你，而且我们早就知道这一点，只要你说“我想做聚变”，你就知道你需要在微秒尺度上对宇宙做出反应，并且能以那样的速度理解这个系统。如果你把它加热得更热，它就运动得更快，你也就得更快。所以我们会看这些，这就是我们思考这些系统的方式。我们用微秒而不是秒来衡量一切。所以做聚变的时候，场面相当疯狂。它真的就是一道闪光。聚变发生，然后就结束了。你启动它，产生大量聚变，从中回收能量，然后在人眼还来不及真正反应之前就把它关掉。
而且有一台计算机在管理这一切。你们到底怎么给这类系统编程来完成开关切换？这方面需要什么创新吗？
聚变领域的先驱们在计算机出现之前就能做到那些事，我一直对此感到惊叹，因为他们必须在这种尺度上进行控制。但那可能相当困难，而我们之所以能接过他们的成果并在此基础上继续发展，是因为现在我们用现代的千兆赫级计算来做这件事。哪怕在我刚开始职业生涯的时候，我们谈论的还是兆赫级处理器。兆赫对应的就是微秒。这很好。你差不多处在“够快”的边缘，但如果它只能在一微秒内做出响应，你就没法以那种速度做计算。而现在，千兆赫意味着我可以在那一微秒内完成一千次操作，所以我可以做更多有用的事情。所以我们主要用……
这对任何人来说都太快了，根本来不及反应，所以我们用的是所谓的可编程逻辑。我们把序列编程写进聚变系统，以便实现这种反转。我们预先编好程序，然后运行一个序列，接着聚变就发生了。在这种序列编程语言上，我们用了好几种。有些聚变代码实际上至今仍然是用 Fortran 写的。
不错。
现在越来越多地是用 Python 来运行。所以我们大量使用 Python。我们也用一些 Java，而且由于对速度的要求，有大量的汇编语言编程。所以我们直接深入到可编程逻辑 FPGA 的汇编层面，对它们进行编程。要运行这样一个系统，我们通常会有一系列电气开关来接通这股电流。这些开关是通过光纤控制的，因为导线实在太慢了。光纤能够响应，我可以以光速发送光子。所以这些光纤能在纳秒级响应。然后我用我们以硬件汇编语言编写的可编程逻辑来触发这些光纤。
稍微岔开一下，我想在这里发个号召。我还在寻找世界上最好的 Fortran 程序员，如果大家想跟他们聊聊的话，因为世界赖以运转的许多关键系统至今仍然是用 Fortran 编写的。我觉得这是一门非常迷人的编程语言。COBOL 也是，但 Fortran 更是如此。它是伟大的计算数值编程语言之一。总之，关于那些为你提供系统信息的传感器，也就是诊断方面，在这样的时间尺度上，……你能收集到系统的哪些信息，好让你能在相近的时间尺度上做出反应？
所以我也在呼吁 Fortran 程序员，不过是出于不同的原因。
是的，太好了。
诊断系统确实是我们能有效做到这一点的关键之一，因为你需要能告诉系统：“我们要触发电流，而且要在一微秒内完成，我们需要知道它是否运作正常。”在这类 FRC 或这类脉冲磁系统中，你不会只有一个电气开关。我提到过100兆安，也就是1亿安培的电流。即使是我们用的大型晶体管，也只能在3万安培下运行，所以最终你会有数万个。事实上，在我们现在建造的系统里，有数万个并联的电气开关全都协调一致地运行。所以你需要能构建这样一个系统，这也是我们花大量时间在做的事情。
我开过玩笑说，在很多方面，Helion 是一家电气工程公司。要能对它们进行编程、控制，再检测它们的运行情况，而且这一切都要做得非常快。在一个典型的序列中，我们会预先编程。操作人员会预先编写一个序列，通常依据的是对聚变系统预期表现的数值模拟。我们从一组计算开始。然后我们把所有这些电气开关预先编程为某个特定序列，以便注入燃料、将其反转，再把它压缩到聚变条件。接着我们触发它，然后放手让它运行，并测量正在发生的聚变。
但在这个过程中，我们必须实时记录和测量系统中所有的半导体和所有的开关动作。我不打算讲聚变诊断的测量。那完全是另一回事，那个我们也可以聊。这里讲的只是电气控制这一侧。我们能做到的一些开创性的事情是，你在实时监测所有这些开关。你在观察哪些触发正确，哪些没有正确触发。如果有系统没有正常工作，你就把它关停，因为你要确保所有序列都在正确运行。
说到一些关键的诊断手段，其实相当惊人的是，哪怕在我职业生涯早期，系统里都还没有内置多少光纤。而现在它绝对是必不可少的。所以每一个电气开关都有光纤信号输入和光纤信号输出，用来了解它实际是如何运行的。而且所有这些系统都在被更多的光纤实时监测。我们称之为罗氏线圈（Rogowski coil），它们是由电流本身供电的电磁线圈。所以当开关导通时，它们会发出一个光信号，表示“是的，我正在导电”，这些光纤会回到一个中央汇集处，我们在那里检测这些信号。
所以我们在实时监测这一切，好让我们知道这些系统表现正常，并且在以最佳性能运行。
在这一切当中，数值模拟扮演什么角色？我想问的是，事先你们要做多少数值模拟，来理解系统会如何表现、各种参数如何共同作用？还有电气系统，以及它如何全部对应到实际产生的聚变上？
是的。聚变系统的运行方式非常有意思，因为这一切都发生在人类操作员无法参与的时间尺度上。
……根本没法真正参与进来。所以大部分过程都必须预先编好程序，我们把它们叫作“炮次”（shot）。你要打一炮，而当你重复运行、长时间运行的时候，从触发到测量它们的表现，仍然全部由计算机实时完成，自始至终都是这样。那么通常的做法是，至少在我们的系统里，我们会结合多种数值模拟工具来设计系统，这些工具是我们在几十年来出色的政府项目基础上开发的。这些数值代码是由国家项目开发出来的。我们用的一种代码叫 MHD，也就是磁流体动力学代码。
这是给那些听众里的工程师说的，如果你们熟悉 CFD，也就是计算流体动力学，这个跟它非常相似：其实就是拿同一套方程，再在上面叠加电磁方程。这样就得到了磁流体动力学。
你们是在单个粒子的层面上做模拟吗？这里面也有量子力学的成分吗？模拟能细到什么程度？
我们有多套不同层级的代码，因为主要的计算挑战之一是……令人惊讶的是，即便我们已经为聚变系统做了这么多建设，计算机的速度仍然不足以模拟所有东西。所以我们会用好几种代码。一种我们叫流体代码，就是把离子、电子，所有这些聚变粒子，都当作流体、当作气体来处理，用理想气体定律，再加上电磁力。在这类代码里，我们不仅能模拟聚变燃料，这当然很重要，还能模拟全部电路。我们之前聊过电容器、磁线圈、电流和开关。我们实际上是模拟整个系统，真的是从一个 SPICE 模型开始。
这更偏电气工程那一块。我们从 SPICE 模型出发，用它来驱动等离子体物理模型，这是一个层级的模拟。我们用它来做设计工作，也用它来尝试理解我们认为机器会怎么运行。然后我们再往下深入一层，开始考虑粒子，考虑离子，把离子当作粒子来处理，观察离子的行为。这一层所需的计算资源要大好几个数量级。幸运的是，GPU 方面的大量工作，也就是 AI 数据中心那些工作，可以直接用到这些模拟上。它让我们的工作提速了，这挺有意思的。这又是一个可以展开聊的话题了。
这些我们叫混合代码，也就是粒子网格（particle-in-cell）代码，现在把离子当作粒子来处理，这让我们能够测量和模拟那些行为。我之前提到过稳定性判据，S* 除以 E，那种陀螺式的运动行为。现在要模拟那种行为，就需要这些更先进的代码，而它们也更新一些。实际上我们是最近几年才真正能在实践中用上它们，这挺有意思的：过去的稳定性规则是建立在测试、经验性试验基础上的，而现在我们可以把它模拟出来，知道它们为什么成立、如何成立，还能对它们做一些预测。所以我们能够推进这些边界，这真的很令人着迷。
那你们在调的都有哪些变量？还在调拓扑结构吗？这里起作用的变量都有哪些？
不同的模拟，我们分别用来分析和设计机器的不同部分。在 MHD 这一层，我们有 SPICE，也就是真正有电路模型的那一层，现在我们的设计团队用它来设计电路，决定用哪种电容器、用哪种开关、用多少根电缆，真的细到这个程度，用多粗的电缆。所以我们现在在做电站设计，这些就是我们今天在用的工具，团队每天都在用。然后你可以再深入一层，说：“好，我们来用这些关于稳定性的更先进的计算工具。”也就是说：“好，很好，电路我现在已经知道了，那我们来看看磁场拓扑。”
“我要怎么设计磁体，磁体的精确形状，磁体的精确时序？我得先触发一个磁体，再触发旁边的下一个，再下一个。我要怎么确定那个形状和那个设计？”这时候用的就是那些更先进的工具。可惜的是，它们现在还是太慢了。那些模拟可能要跑一两天。所以目前操作员会提前做大量模拟，然后在运行机器、生成这些场反向位形、做参数扫描的过程中收集数据。之后模拟团队再回过头去看这些数据，把它和模拟结果做对比。
我对人工智能和强化学习方面的一些进展感到非常兴奋，它们有望加快这个过程。所以我们正在关注，也开始着手做这件事：我们现在的用法是，先做模拟来设计一台机器或一次测试，运行测试，然后在接下来几天里把测试结果和模拟结果做对比，再用它来决定下一组测试要跑什么。那我们能不能改变这种用法，而是做得更实时一些，让操作员可以调出 AI 或机器学习预测的它本应如何表现，然后用这个来理解实际项目中、实际的发电机本身里正在发生什么。
好的。这里有一百万个问题。首先，我们对发生了多少次碰撞了解多少？能谈谈聚变吗？有多少次碰撞，这又是怎么对应到电力上的？也许你还可以直接讲讲如何直接转化为电力，这正是这种方法和托卡马克方法的区别之一？
那么这些系统能产出多少聚变？这确实是关键问题。我们已经聊过 β，就是 B 的平方，磁压等于 NKT，N 是密度，T 是温度。然后我们聊过聚变，聚变的目标是让粒子变热，也就是高温，让足够多的粒子聚在一起，也就是密度。然后你要让它们在一起待得足够久。我们把这个叫 τ。所以是 N、T 和 τ，要足够久，让聚变发生，而且大量发生，超过所有正在发生的损失速率，也就是 NTτ。而在 β 和 B 平方的关系里，你已经知道其中两个参数——N 和 T——与磁场的关系（原文此处关于“相等”的表述转写不清，待核）。所以这立刻告诉你，目标就是最大化磁场，绝对地最大化磁场。
磁约束聚变领域的大多数人，不管是做托卡马克、θ 箍缩还是 FRC，都在试图这么做，最大化磁场。所以我们都在朝这个方向努力。脉冲系统真正好的地方在于，我们知道怎么做到这一点。事实上，在脉冲系统中，研究脉冲磁场的研究人员已经在脉冲磁体里实现了超过 100 特斯拉的磁场。这比稳态磁体能达到的，或者说迄今为止已经实现的，要高得多。
澄清一个问题。所以最大化磁场关乎的是 N 和 T，也就是 β？我们还没谈到 τ。
还没有，但我们需要谈，因为它真的很重要。
好的。
我们甚至可以再多聊一点聚变是怎么随参数变化的。在聚变里，燃料越热，聚变就越多。我们知道，通过增大磁场，B 平方对应 NT，你会同时提高密度和温度。更高的密度、更高的温度意味着更多聚变，而温度更高又会带来更多聚变。所以我们看到，在这类系统中，有一个非常清晰的标度关系：与磁场的 3.75 次方成正比，在很多演示中甚至是 3.77 次方。就是这个具体的标度关系。
哇。
这是聚变功率输出和聚变反应的一个非常强的标度关系。所以这告诉你，要尽可能把磁场推到最大。脉冲系统真的很强大。脉冲系统已经表明，把脉冲磁场和稳态磁场相比，研究人员已经实现了超过 100 特斯拉的磁场，而在稳态系统中，人们实现的是 20 特斯拉左右，也许是 20 多接近 30 特斯拉的系统。如果是 B 的 3.77 次方，你就已经能看出，用脉冲系统可以获得巨大的聚变功率输出。
好，明白了。所以我们在最大化磁场。那个数值一路往上，往上飙。那持续时间，也就是 τ，怎么得到？
但我刚才说的是脉冲。
哦，我明白了。
§02文字稿 2
而脉冲本身就意味着 τ 更短。
对。
所以在聚变领域，这就是关键所在。有人做惯性聚变，τ 是纳秒级的。非常短，但压力非常高。他们没有磁场，但压力非常高。而在仿星器和托卡马克里，目标是非常长的 τ，但密度会低得多，温度也没法提高太多，但密度会低得多。而我们所在的脉冲磁约束，或者说磁惯性聚变，处于中间位置：用极高的磁场，尽可能提高压力，然后让它们维持足够长的时间。这就涉及 τ，涉及能量约束时间，也涉及稳定性。
而这正是场反向位形已经证明我们能够做到的。这些等离子体能够维持的时间是基础理论（预期）的数百倍甚至数千倍，这已经表明现在可以有足够长的寿命。这意味着，在实际的聚变系统中，这些高 β 脉冲系统的寿命在 100 微秒到几毫秒之间，也就是千分之几秒。你把它维持千分之几秒。进行聚变，然后把它排出。所以整个过程是这样的：我们先建立一个充满整个腔室的磁场。然后注入聚变燃料。把它电离。把它加热到区区一百万度，这算是“冷”的。但已经热到足以产生带电粒子。
你就有了等离子体。然后你可以开始增大磁场。形成一个场反向位形，然后迅速进一步增大磁场。从 1 增加到 5、到 10、到 20，甚至更高的磁场。在这个过程中，等离子体被加热。你压缩它，提高磁场和压力。聚变这时就发生了。新的带电粒子在这个系统内部诞生，带着巨大的热量和能量，而且是以带电粒子的形式。这正是 β 真正对你有利的地方：就像外部的磁压一样，磁压与 NKT 平衡，压缩燃料，提高压力和温度。当等离子体的压力和温度升高时，NKT 就增大了。
它会反推磁场，增强等离子体外部的磁场，而这样做的结果是，磁场与导线中流动的电流相联系。这样做就会把电流推回导线中。所以等离子体本身现在反推磁场，把电流推出系统，给我们整个过程开始时用的那些电容器重新充电。
一切都以自组织的方式进行。所以我觉得有必要澄清一下聚变通常是如何产生能量的：中间有一步是把水加热，然后由蒸汽来发电。当然，你们使用的 FRC 方法是直接产生电力的。我想请你描述一下这两者之间的区别。
是的，我喜欢火柴和篝火这个比喻，在聚变领域我也经常听到这个说法。稳态聚变，比如仿星器或托卡马克，很大程度上想做的是：取一点燃料，也就是那根火柴，然后加热把它点燃，再在合适的条件下给它足够的燃料，并长时间维持住它，让它长成一堆篝火。如果做得好的话，甚至能长成一堆熊熊大火。
在那个稳态系统里，它产生了巨大的能量。燃料在同一个地方燃烧，产生一些灰烬，反应中还会产生大量的热。在传统的托卡马克或仿星器里，你做的很大一部分工作就是尽可能留住热量，让反应持续下去。最理想的燃料叫做氘和氚。氘是氢的一种重同位素，多了一个中子；氚是一种非常稀有的氢，处于不稳定的形态。它稀有到很难获得。
氚有两个中子和一个质子。当你在非常高的温度、非常高的密度下，或者说在足够高的密度和非常高的温度下，把它们聚变到一起，就会生成氦。氦是带电粒子，会留在篝火里，也就是托卡马克内部，持续加热，给火添柴。同时还会生成一个中子，因为它不带电，所以会离开系统。它没有电荷，而在那种系统里，这其实是理想的。这非常好，因为篝火里反应在进行，你想把能量取出来。你想利用它，而不是光把燃料烧光却什么也不做，那没什么价值。真正有价值的是站在篝火旁边取暖，获取它散发出来的东西。
然后在传统的聚变系统中，用它来烧开水、加热水，再以30%到35%的效率，通过蒸汽轮机进行转换，接到冷却塔，把燃料冷却下来，并提取出电力。
蒸汽轮机我们很熟悉。燃煤电厂就是这么做的，核裂变反应堆也是这么做的。所以我们知道怎么做，这是传统的方式。但我认为用脉冲磁系统还有别的办法。你还能多做一件事，因为你处在这种高β状态，存在电场和电磁力，它们正在压缩聚变燃料。燃料温度在升高，变得越来越热，温度在升高。密度……聚变正在发生。新的聚变粒子不断诞生，这些粒子不只是给火添柴，不像在托卡马克里那样只是维持篝火，它们还在做另一件非常强大的事：反推磁场。
它们在施加压力。这个压力会感应出电流，我们可以把这个电流提取出来。但这就把你带向了另一个方向，所以你的篝火比喻就不成立了，因为现在篝火在膨胀，它在推着某个东西。所以现在要换成活塞发动机的比喻……从火柴、篝火，过渡到了活塞。在活塞发动机里，你利用活塞的运动、作用在它上面的压力以及它的移动来做有用的功。在活塞发动机里，就是带动曲轴、驱动车轮，或者也可以用活塞发动机带动曲轴、驱动发电机来发电。事实上，效率可以做得相当高。
……以及用这种方法、利用活塞的膨胀冲程来驱动的发电机。我们做的是利用磁场的膨胀来提取电力，我们相信效率可以高得多得多。事实上，已经有理论论文表明，效率不是蒸汽轮机能达到的30%到35%，而是80%、85%，在这个过程中能提取出燃料中多得多的能量。
能不能稍微岔开一下……说说这里“效率”这个词？你说30%，所以效率不高。这个效率衡量的是有多少能量真正转化成了电吗？
这个指标衡量的是，从系统里出来的热能中有多少转化成了电，而电才是我们关心的东西。我们做这件事不是为了实现聚变，而是为了发电，我们是在用聚变来发电。所以在我看来，重点应该是：我们怎么做到这一点？所以那是出来的热能转化为电的效率。它衡量不了的是，你往系统里投入了多少能量，以及这些能量最后怎么样了。比方说，你是用喷灯点燃这堆篝火的，那喷灯的那些能量呢？你从中得到了什么？
所以我认为，这是高β的又一个附带好处，结果它反倒可能反客为主，成了真正起决定作用的因素。你不仅能以高效率取出新产生的聚变能量，这很好，因为这正是你想要的：用聚变发电；你还能把投入进去的所有磁能都回收回来。
这才是真正强大的地方，而且已经有人演示过：效率超过95%，也就是说你可以把电输入聚变系统，再以95%的效率把电取回来，此外还能以非常高的效率，也许80%，也许更高，取出所有聚变产物带来的电。所以这样一个系统能产生巨量的电，这带来各种非常强大的性能和工程上的好处，但它也会把你推向其他燃料。我们刚才谈到氘氚燃料会产生这个中子……
……中子离开系统去烧水、驱动蒸汽轮机，但它不会反推磁场。所以在这种高β系统里，氘氚其实根本算不上好燃料。于是其他燃料就更有意思了，其中一个非常有意思的候选燃料是氘和氦-3。我们讲过氘，就是重氢。而氦-3的原子核也叫做helion（氦-3核），这就是我们公司取这个名字的原因。
它是轻氦，也就是……普通的氦，就是气球里的那种，有两个质子、两个中子，非常稳定，也很常见。氦-3也很稳定，但并不常见。幸运的是，它很轻，所以会跑掉。它真的会逃离大气层、进入太空，所以地球上的氦-3并不多，你得自己制造，或者去太空获取。从哪里获取它又是另一个话题了。从月球获取吗？事实上，木星上有大量的氦-3。当你把氘和氦-3聚变到一起时，同样会得到那个氦粒子，也就是我们在聚变领域所说的α粒子。
但你得到的不是中子，而是质子。质子是带电粒子，就是氢原子核。这个质子会被困在磁场里，反推磁场，你就可以把电提取出来。当然，使用氦-3燃料要付出一些代价，但对于像脉冲磁聚变系统这样的高β系统来说，它确实是理想的燃料。
你说的“代价”，是指……是技术上的成本，还是别的什么？这些代价具体是什么形式的？
各种形式都有：物理上的、工程上的、技术上的，还有商业上的成本。
好。
那我们就展开说说。是的，我们谈过氦-3……从聚变物理的角度看，我们谈过1亿度。那是氘氚聚变效果非常好的温度，也是传统聚变研究者一直专注要达到的温度。那是门槛。达到1亿度，你就到了聚变的工作点，就知道它能行，至少通俗地说是这样。氦-3需要更高的温度，1亿度不够。没错，氘和氦-3在1亿度时也会发生聚变，但那不是它的最佳温度。事实上，在高β系统里，最佳温度更高，要2亿度，有时甚至3亿度。所以你得达到更高的温度。
温度本来就很难提上去，所以你得把温度推得比以前还高。这是缺点之一。另一个缺点可能是，当你达到那些更高的温度时，我们谈过B²等于nT，也就是B的平方等于密度乘以温度。那么对于给定的磁场，密度和温度就成了反比关系。所以我提高温度，密度就会下降。于是就出现了一个问题：可用于聚变的粒子可能变少了，这意味着你的聚变系统得比以前更大。
所以要达到相同的反应速率，与氘氚相比，氦-3系统必须在更高的温度下运行，体积也要更大。但反过来说，如果你现在能以三倍的能量效率回收能量，也就是80%多对比30%多，并且回收所有的输入能量，那么体积其实就差不多了。因为电力输出是一样的。不是能量，我们关心的是电。就电力输出而言，你确实可以建造体积相近、能量相近的系统，只不过效率高得多。
明白了。能再多讲讲体积吗？我们说的是多大的规模？为什么体积是一个重要的约束？
这就涉及另一个代价了，也就是钱。所以——
嗯
我们的目标是提供清洁、低成本的电力，并推广到全世界，但这意味着它必须是低成本的，这是根本。如果它非常昂贵，就没人会买；它再清洁，也不会被部署。所以这始终得是其中一部分，聚变的前景就在于它可以做到低成本。那么我们怎么知道聚变系统要花多少钱？这是个非常好的问题。很大程度上归结于最根本的体积问题，因为你就是得把东西造出来。围绕发电厂，你可以从第一性原理出发做一些成本工程分析：它们从根本上要花多少钱？用了多少混凝土？从根本上说，它有多大？
如果你的制造做得好，你的目标就是以尽可能低的成本制造产品，这样就能以尽可能低的价格出售。成本会逐渐逼近材料成本。
啊。
因为你永远不可能比那更便宜。
所以从某种意义上说，在某种第一性原理的意义上，这实际上就是有多少混凝土——
多少……多少……
用在了建造发电厂上。
多少混凝土、多少钢、多少铜和铝。不同材料的价格不同，但归根结底，最便宜的方案就是用最少的材料。
哇。好的。
所以我们在这方面想了很多，考虑怎样把这些系统做得更小，从而以更低的成本开发出来。不过，反过来说，你仍然需要发电。所以如果你把它们做得非常小，却发不了电……聚变存在某个最小尺寸，这一点非常重要。聚变科学家和工程师并不认为你的德罗宁车尾有朝一日会装上一台聚变发电机。物理不允许这种事发生，至少按照我们过去，大概一两百年来所理解的物理是这样。
嗯，这里有很多非常有意思的商业问题，因为你们基本上处在科学、技术、物理和工程的最前沿，试图快速地向未来创新。这要怎么做到？因为这里的研发，光是研究本身就要花很多钱。那么，嗯，关于这一点你能说些什么？比如说，在有这么多未知、光是做研究就花费这么大的情况下，如何大胆无畏地把这项技术推向未来？
我是从几个方面来考虑这件事的。第一是需求。我们放眼世界，知道世界需要清洁、低成本、安全的电力。而这仅仅是为了满足我们今天的需求，更不用说明天的需求、AI 的需求，或者很可能即将到来的各种增长。仅仅是满足今天的需求。但根本的一点是，它必须是人们愿意购买的产品。它必须是一台能以低成本发电的发电机。而且必须尽快实现。所以我思考的很多问题是，我们怎样同时做到这两点？其中很大一部分是规模问题，很大一部分是要思考……而且不是大规模。事实上恰恰相反，是小规模。问题在于，你怎样打造一个可以大规模量产、能够快速制造、快速学习的产品？
我在职业生涯中发现，这两件事其实是同一回事。你造一个东西越快，就能越快知道它是否可行，进而越快迭代、造出下一个东西。所以我整个职业生涯一直在打造的，是由建造者组成的团队和公司，能够快速造出高科技产品。如果你要做研发，你不会想要那种大规模、跨国、复杂、庞大的系统。
你真正要做的，是找出能完成使命的最小的东西——在聚变领域，确实存在一个最小尺寸——但只要能完成使命就行，然后快速把它造出来，围绕快速建造组建整个团队，激励大家快速行动、迭代和学习。我发现的一件颇具讽刺意味的事情是：通过专注于制造，专注于低成本、非常快速的制造，你反而能更快地做科学。在我职业生涯刚开始的时候，我绝对想不到这一点。我原本以为，做科学的方式是在某个地方建一台巨型的示范性粒子加速器。
就是说，做一个庞大复杂的科学实验是做科学的最佳方式。而我发现，实际上小规模、迭代式地、尽可能快地去建造，能让你更快到达目标，因为你可以学习、建造、迭代。你可以解决问题，然后掌握基础物理，掌握标度关系，了解 FRC（场反位形），了解 B 的 3.77 次方关系，而且比你一开始就投入一个超级项目、然后等上几十年才得到答案要早得多。
这里面有一个深刻的道理，就是追求简单、追求低成本、追求可制造性所带来的约束。这会推动一切，推动科学，推动创新。事实上，你也许应该说明一下，我记得你们已经做到第七台原型机了。这里的创新速度简直疯狂。你能不能讲讲你们经历过的各种原型机，以及快速迭代需要付出什么？也许大家会特别感兴趣的是，要实现这一点需要什么样的团队？需要什么样的人才能以这么快的速度做到？而且我们说的不是软件。我们说的是一切，是全栈。
一直深入到 1 亿度、每小时 100 万英里速度下的物理。我是说，这太疯狂了。总之，你们是怎么迭代原型机的，又是什么样的团队让这一切成为现实？
在 Helion，我们已经建造了七套系统。前六套是一系列我们从头到尾自己建造的原型机，重点在于把制造这些场反位形的过程规模化，将它们压缩到热核聚变条件，证明可以实现聚变，然后不断扩大规模、提高温度和能量。最早的几台是以啤酒命名的。实际上，其中最成功的是感应等离子体团加速器（Inductive Plasmoid Accelerator），简称 IPA。它是第一套证明团队能够产生并维持这些 FRC、并理解其中一些稳定性判据和加热判据的系统。然后我们开始提高磁场。好，很好，我们现在能维持住一个 FRC 了。
我们知道它能维持多久、怎么产生它，但现在我们能不能挤压它，开始做聚变？提高压力和温度。我们注意到，你知道，一台又一台机器，我们总是用星巴克杯子。我们当时在雷德蒙德，华盛顿州雷德蒙德，星巴克杯子就放在机器顶上，作为尺寸参照。那些机器太小了，没法每次都让人站在照片里，所以一个星巴克杯子就够了。于是我们后来就改用 Tall、Grande、Venti 来命名。然后最大的 Trenta，是 2020 年投入运行的最大系统。
那套系统展示了 1 亿度的温度，并且是第一套实现氘与氦-3 聚变的系统。事实上，据我们所知，这是迄今唯一实现过的体相氘-氦-3 聚变，同时也展示了 FRC 达到 1 亿度的聚变温度。在整个过程中，最早期的工作是由政府资助的，包括政府拨款、SBIR（小企业创新研究计划）以及其他类型的政府资助。实际上，参与其中的团队，我本人和其他创始团队成员，非常擅长赢得政府项目，做基础科学，但同时行动非常迅速。关于如何迭代、如何快速建造，有很多种思考方式。我想先谈谈团队，然后我们可以谈谈其中的一些技术。
……用来做到这一点，但很大程度上要考虑的是：如果你的目标是尽快把产品，也就是电力，推向世界，那么你做的每一件事都应该从这个角度去审视。这包括你选择的材料。你要在每一个环节都选择常见易得的材料。如果你必须等待某种极其稀有材料的供应链，你就要花多得多的时间。所以要尽一切可能把系统设计成使用简单的铝合金、简单的铜合金。如果你必须用钨，也许你的某些系统确实必须用钨，原文在这里把钨称为一种难以获得的“合金”，材料名称的表述存疑，那就确保你用的是常见规格厚度的钨板。
你知道，就是在每一步都进行这类工程分析和思考。我们就是这样建造这些系统的，从 IPA 到 Venti 再到 Trenta，始终在考虑如何建造易于制造、可以量产的系统。因为这是另一件我职业生涯早期可能没法预料到的事：做一百个某样东西，实际上可能比只做一个更快。
原因在于，看看我们的聚变系统，我们谈到过这些大磁体，你可以造一个巨大、庞杂、难以制造的磁体，它很重，需要用起重机来搬运，还需要由极其稀有的数控机床进行非常复杂的加工；或者你也可以用 100 个较小磁体组合成它。现在每一个小磁体都可以在一台简单的机器上制造出来。每一个磁体都足够轻，一个人就能拿起来。它们可以被制造、生产、批量化量产，我们就是这么做的。这就是我们在这些机器上的整体设计理念：在每一个环节，我们怎样才能更快？一个经典的例子，直到今天我还在推动团队这么做，同样是关于如何快速行动的，那就是 eBay。
我们会买，而且我不确定我以前有没有公开说过这件事……
哦，好家伙，来了。这太棒了。
我们在 eBay 上花了很多时间。
总得想办法嘛，对。
你得快速行动，举个例子：我们会用真空泵，因为在这些系统里你得把空气全部抽出来。所以我们用一种叫涡轮分子泵的真空泵。这是一种通用商品，被用在各种粒子加速器和科学应用中。数量很多，性能可靠，寿命很长。但它们的供应渠道也很有限。所以如果你想买一台全新的涡轮分子泵，可以买，但你可能要等制造商九个月……
……才能给你造好并交付。但我今天就可以去 eBay 上买到 10 年前生产的同一型号，今天、现在就能买到。不过它可能不能用。你还不知道它工作得怎么样、有多干净，诸如此类。所以我们的做法是，你去 eBay 不是为了省钱。它确实更便宜，这很好。但你还可以把 eBay 上现在挂着的三台涡轮泵都买下来，拿回公司内部测试。也许其中只有一台符合你需要的规格，但你猜怎么着？你只用两周而不是九个月就拿到了一台泵。你拿到了它，它已经进门、已经投入使用、正在运转，你的工作也在推进。
你看，我太喜欢这个了。我就喜欢这类事情。我真正见过这么做的人里，几乎只有埃隆（Elon）。他在几周之内就在孟菲斯搭建起了那个集群，这是以前从未有人做到过的。而这种 eBay 式的做法，正是实现这种速度所需要的，因为你绕过了供应链。
而且在一切可以这么做的地方都这么做，但你仍然必须交付能正常工作的产品，对吧？
对。
也就是说，不能牺牲质量。但当一台二手的就能胜任时，你真的需要那台崭新锃亮的吗？我们在各个方面都这样考虑。我们是选用世界上最好、最精密的等离子体诊断设备，测量误差在 3% 以内，但需要花三年时间、也许几百万美元去造？还是选用一项 10 年前的技术，测量误差为 5%，已经足够好，而且一个月就能造出来？对我们来说，对 Helion 和我们组建的团队来说，答案是那种务实拼搏的态度：“我就想解决问题。我不一定需要最好的方案，但我们先把它做成。”所以这是我们经常做的事。
我觉得有时候我在这一点上和学术界的同事会有分歧，我们看法不同。因为 3% 嘛，那可比 5% 好太多了。所以难道不应该选那个吗？你会更了解你的数据。但 5% 已经够好了。当然，50% 就不够好了，那样的技术就不适用了。所以找到这个中间点是件很难的事，而且绝不能在质量和安全上妥协。就是说，它必须能用，必须安全，但在此前提下你还能不能快速推进？
但总体上，就是要有一种不断提高迭代速度的文化。
还有打造一支想要动手造东西的团队。Helion 的每一个人，或者至少绝大多数人，我们招聘的工程师、科学家、技术员和机械加工师，都是亲自动手的建造者。对一家聚变公司来说，Helion 是非常另类的。如今，我们公司 50% 的人是技术员，而不是科学家。
不错。
我们也有大量科学家，因为科学同样至关重要，但他们背后有一家庞大的制造公司在支撑。我们的目标是尽可能快地建造。我们在这方面尝试做的其他事情之一是垂直整合。这正呼应你提到的埃隆·马斯克。这是他在自己公司里一直关注的事情之一：如何把那些会决定时间进度的关键环节，也就是那些你没法当作通用商品直接买来、很快到货的东西，收归内部，并确保你能快速把它们造出来。我们在 Helion 建立了多条关键的垂直整合生产线。我想我们可能是唯一一家拥有传送带的聚变公司。
实际上，我们的第二条生产线刚刚投入运行，我们在 Helion 真的有自己的生产线来制造电源，这样我们就能以最快速度推进，而不是去找外部顾问或外部供应商来做这些。
嗯，我很喜欢。一家建造者优先的公司，而且你们在整个过程中……也一直在考虑制造。我正在看 Trenta 的照片，它很漂亮。
其实你可以……我可以在这张图上指一个很能说明我意思的例子。末端有一个绿色的结构，是绿色的玻璃纤维，叫 G10。说来也挺讽刺，我们用的主要结构材料之一就是这种 G10 玻璃纤维。PCB 板里用的就是它，每块电路板里都是这种基材。我们知道它强度高，电气性能也好，只不过我们是买大块的，再拿来机加工。但就算这样，你在末端还是能看到中间那一排螺栓。中间那里有九个螺栓。
标准尺寸的 G10 板不够大，盖不住机器的末端。所以我们本来可以找一家定制厂商，重新做一块定制尺寸的板子，还得为此开新模具、造新设备。那要花多久，我现在记不太清了，但通常大概是六到十二个月这个量级。要么我就直接找供应商买现货，一周就能送到，然后再加工，用螺栓在中间把它们连起来。
然后我们内部有自己的 G10 机加工车间，可以加工螺栓孔，真正用螺栓把这些部件拼接起来。这需要额外的工程工作，也需要非常聪明、非常出色的机械和结构工程师来想办法实现，同时还要满足聚变系统的要求。这就是我们努力的方向。我们在 Helion 想打造的就是这样的团队：愿意真正动手、亲力亲为、造东西、行动迅速的人。只要不牺牲质量或安全，能走捷径的地方都走捷径。关键就在这里。我们必须尽快让聚变发电上线。
是啊，这真的很令人兴奋，也很鼓舞人心。所以我得问一句，你觉得时间线是怎样的？比如第一座真正投入运行的核聚变发电厂，你觉得什么时候会出现？
嗯，我们一直以来的做法是快速建造，每隔几年就让一套新的聚变系统上线。2023 年，我们和微软签了一份协议，为微软的一个数据中心建一座发电厂。这座发电厂会接入电网，用聚变发电，时间线非常紧、也非常有雄心：2028 年让这座发电厂送出第一批电子。
也就是说，那座发电厂将为一个数据中心供电。
那座发电厂将为这个数据中心所接入的电网供电。电网怎么运作之类的细节我们可以展开聊，但没错，微软会购买那座发电厂发的电。
给微软点个赞，敢定下一个硬性截止日期。我太喜欢了。
确实是，确实是。我们每天都在想着那个截止日期。从 Grande、Venti 到 Trenta，那几台机器一路下来，我们和他们断断续续一直有合作，所以他们亲眼看到我们怎么建造、达成里程碑、证明我们能实现聚变、把规模提升好几个数量级，然后用上这些先进的聚变燃料。这些他们都看在眼里，也看到了我们建立起来的制造能力。我们现在就已经在建设支撑那座发电厂的制造能力了，今天就在做。两年前我们就开始做选址和并网方面的工作。聚变怎么接入电网？它会是什么样子？怎么选址？对环境有什么影响？谁来监管？所有这些问题。
所以我们已经投入了大量时间，也已经在路上了，而且这会很难。不是开玩笑。这真的很艰难，也是我每天都在想的事。
我相信肯定有很多人到现在可能还在跟你说，这是白日梦，根本不可能。有没有那么几天，你和团队也觉得这确实不可能，然后第二天醒来又想：“好吧，不管怎样我们都要干。”
我是说，思路就是这样，心态就是这样。不管怎样我们都要干，那就去干吧。世界需要它。从物理上讲，没有任何理由说这做不到。现在的问题是你能多快把它建出来？你能不能把它设计得像所需要的那样高效？而这些……工程和制造都是难得离谱的挑战，所以千万别小看。但这就是目标，也是我们每天起床想着的事。这其实正是我最近几天在想、也在和团队里一些人聊的事。当然有人会说：“不，这永远做不到。”以前我们也遇到过。
最早我说“我想把这些等离子体合并到一起”的时候就遇到过，有人说：“不行，那永远不可能。”然后我们就去做成了。还有人说：“你没法压缩 FRC（场反位形），因为它不稳定。”事实上，我到现在还会听到这种说法：“FRC 是不稳定的。”我会说：“对，我知道。现在让我给你介绍一下 S*/E（S* over E），还有 20 年来关于我们对它的认识、以及怎么应对它的研究。”所以，在大量质疑声中，我们一直证明了自己仍然能建造、能迭代。当然也有我不知道的东西，咱们就坦诚说吧。在建造这些东西的过程中，我们会发现新的难题。如果我们没有做好本职工作，没有发现新的难题，那很可能是我们推得还不够猛。
很可能是我们推得还不够快。我认为非常关键的一点是：我们要把团队建好、把招聘做好，确保每个人都在攻克自己负责的问题。当然，这并不是说这件事不难，让大家一直保持干劲也不容易。Helion 现在已经有 500 多人了，但我们建造 Trenta 的时候，只有 50 个人。
好的。
所以现在 Helion 有 300 多人从没亲眼见过我们把一套系统从计算机模型变成实物、让它上线、再用它实现聚变。不过，在 Polaris 项目中，也已经有很多人是为了我们的第七代系统加入的。我们运行 Trenta、实现聚变的时候，他们能看到这一切，看到测量数据，知道我们在实现聚变。可那时候，下一台机器还只是一个模拟。所以，看着它被建出来，看到那一幕，对大家来说真的很震撼。我跟你说，它第一次上线、闪出粉色的光、你看到那种聚变辉光的时候，真的很震撼。真的很震撼。
我太喜欢这个了。
我，呃——
那个聚——聚变辉光，对，对。
每个人都会把自己的 Windows 桌面背景换成聚变背景，就是那种等离子体辉光。
那你们到底怎么才能看到它？
有几种方式。第一，为了能观察到里面，我们开了窗口。四周一圈都有小窗口，我们通过这些窗口用相机、光谱仪、激光以及其他各种科学诊断手段来观察和测量。所以你能透过这些窗口看到它发出的光。另外，它也非常亮。
而且，我们用的真空容器本身是陶瓷的。有一些是硅和氧组成的材料，通常是石英，也有一些其他的烧结材料。它亮到能透过这些材料照出来，所以你看到的其实不是聚变的光。聚变发生的时候，热核聚变温度高到发出的光处在 X 射线波段，人眼看不到。但当你那“冰冷”的、一百万度的等离子体刚刚起步时，它发出的光子和光处在人眼能看到的范围内。所以你会看到那种明亮的紫色、紫红色。
如果是用真正的相机拍，那应该是那种超高速相机之类的吧？
我们有高速的，也有低速的。传统的单反相机，也就是能还原真实颜色的那种，它们捕捉到的只是光，是积分后的光，也就是那一下闪光。它们不知道，也看不到等离子体的形成、加速和压缩，这些它们都看不到。它们只能看到整个过程被积分成的一道亮闪。但高速相机能看到。所以我们可以用高速相机来做实际测量。事实上，我们会给它们加装特殊滤光片，测量不同波长的光，这样就能分辨出是氢、是氦，还是氦-3？是谁在发光？什么时候发光？是哪些粒子在发光，又是在什么时候？
所以借助这些先进的诊断手段，我们现在可以把它拍成影像，不过还是比不上直接看到那道闪光。
是啊，我是说，这很美，对吧？人类能够创造出这样的东西，真的很美。纯属好奇问一下：把核聚变发电厂接入电网，有没有什么有意思的复杂细节？比如说，像美国这样的电网比较老派，这种特性会不会带来一些限制？比如你提到的微软那件事，怎么从核聚变发电厂一路连到一台装着 GPU 的计算机？这个连接怎么建立？还是说这件事很简单？
这些事没有一件是轻而易举的，但我觉得有一些简单的办法，也有一些非常有意思的工程办法。先从最基本的原理说起：我们在进行聚变时，会反推磁场，给这些电容器重新充电，而电能最初就是从这些电容器出发的。然后这些电能以高压直流的形式储存在电容器上，是稳定的。到了这一步，产生 60 赫兹的电、也就是传统的交流电，就相对容易了。这就跟你把电池里的电通过逆变器转换成交流电是一个道理。而大规模的电网级逆变器，我们已经掌握得相当好了。
这种脉冲式方案有一个独特之处：因为它以每秒一到十次的重复频率脉冲运行，我们可以调节功率输出。所以当电网需要更多电力时，我们其实可以把它调高或调低。我们已经在自己的聚变系统上演示过这一点。在那些较小的等离子体系统上，我们从零、也就是关闭状态，一路提升到每秒 100 次，证明了我们能实现 100 赫兹运行。事实上，那套系统我们运行了超过十亿次，就那样全天稳定地运行。
所以从某种意义上说，每一次脉冲都是独立的。
每一次脉冲都是不同的。你注入燃料，进行聚变，然后把它排出……
酷。
……通过那些从 eBay 上买来的泵排出，然后输出功率、输出电力。
哇哦。
但可能还有一些更巧妙的做法。我们创立 Helion 的时候，目标是提供低成本的基荷电力。而我们现在和微软等合作方共事时开始意识到，数据中心将成为未来最大的电力需求之一。我们知道这一天正在到来。真正独特的是，这种形式的电力是直接回收的，不经过蒸汽轮机那一套，而是直接产生电。这些电本身就已经是直流的，是稳定的，而这正是计算机真正想要的。那么，有没有一些非常独特的办法，把储存在电容器上的直流电，不转成交流送进电网、承受各种输电损耗，而是直接以直流送进数据中心？能不能直接插上就用？
所以这正是我的团队现在在研究的一些问题：能不能以超高效率完成这种直接的直流转换，直接驱动那些 GPU？如果我们能想出办法做到，那会非常强大。我认为在这些方面，聚变和数据中心可能会有一些独特的方式真正结合起来。这里面还有整个散热的部分。我的大部分冷却工作是冷却半导体、冷却功率开关器件，跟数据中心一模一样。所以有很多有意思的工程途径，可以把这两者结合在一起。
所以就是发电厂和它所供电的对象之间更深度的整合。而且看起来在未来，很可能所需的大量能源会用于算力，用于与 AI 相关的应用。那么如果展望未来，10年、20年、50年之后，你是否认为核聚变会为这些拥有数百万块 GPU 的巨型数据中心供电？基本上就是地球表面布满了算力设施和核聚变电厂。也许那是100年后的事了。
我和 AI 专家交流时，他们经常谈到 AI 的电力需求。事实上，就像在制造业中，任何一件东西的成本都会逐渐逼近原材料成本一样，对 AI 来说，计算成本会逐渐逼近电力……逼近电费。而且更重要的是，这些电力是集中的。它就在那个 AI 数据中心里，在那个汇聚了所有电力的大脑里，你确实需要很高的能量密度。你希望发电就在那里……
……就在现场。所以看起来，单拿这两个事实来说，聚变和数据中心就非常契合：聚变是基荷电源，能量密度高，大多数地方都可以选址建设；而数据中心会在局部地点产生很高的能源需求，而且需求量很大。最近一些能源研究机构做出预测，认为由于数据中心的使用，电力需求的增长可能不是每年2%，而可能是4%或6%。我认为这很可能是严重低估了我们的发展方向。所以——
天哪。
所以，既然 AI 能够增强人类的认知和我们解决问题的能力，我们就不能让它受限于电力。所以我会尽我所能去推动，让电力不成为限制。
你有没有想过比如2050年左右的情景？我知道你专注的是未来几年，就是让……一座聚变电厂运转起来。但你有没有想过更长远的未来？你认为到哪一年会有超过1000座核聚变电厂？
我跟团队说，如果我们只演示一次聚变就到此为止，那我们就失败了。那是不够的。宇宙是由聚变驱动的。人类需要去驾驭它，也能够为了我们的社会、为了社会的福祉、为了技术的进步去驾驭它。所以这是我们努力的方向。事实上，这已经融入了我们设计这些机器的方式之中。
线圈是批量生产的。电容器也是批量生产的，而且是我们自己制造的。方方面面考虑的都不是下一个系统会是什么样，而是确保我们在打造能够制造所有这些系统的生产能力和基础设施。几年前，白宫发出号召，开展 Bold Decadal Study in Fusion（聚变大胆十年研究），探讨我们如何实现聚变。参与的有 Helion 以及聚变行业的多家其他公司。能够说现在已经有了一个聚变行业，这真的很了不起。它不是，它不是——
不错。
……不只是一次性的东西，或者有一个聚变实验，或者有人做了个原型机。而是真的有了一个行业。Helion 有竞争对手了。这，这太好了。
我从没听过有人对有竞争对手这么兴奋。不过确实，这是件很严肃的事。这是真实存在的可能性。是的。
当时的目标是，我们如何不仅在未来十年内演示聚变，而且要有实际意义地部署它，并开始回答这个问题？我们有4000吉瓦的化石燃料装机容量。
我们如何、如何开始以有实际意义的方式用聚变来替代它？我们如何做到不只是每隔几年造一台发电机？我们想要一座工厂，一座聚变发电机的超级工厂（Gigafactory），让发电机从生产线上下线，一个月一台、一周一台、一天一台。这、这就是我给供应链团队布置的那种计划。比如，你怎么做到？我们究竟如何去把它建起来？我们如何去建一座超级工厂，让50兆瓦的发电机从生产线上下来，装上卡车部署出去，每天都有发电机从工厂开走？这是个艰巨的挑战。我看到了我们、看到了其他人在火箭、在电动汽车领域所做到的事，迅速建成了巨型工厂。
我们知道这是可以做到的，所以对于聚变来说，号召已经有了，市场也在那里。如果你能让发电机足够便宜，那就值得去做。
是啊。我的意思是，你所做的这一切真的令人兴奋、鼓舞人心。显然世界需要它，我们拥有越多我们所描述的这种廉价能源，清洁、不受地理位置限制等等，首先，这会缓解地缘政治中的许多紧张局势。其次，它能推动 AI 方面的大量技术突破，以及我们使用算力的所有各种领域。这真的非常令人兴奋。所以是的，我希望在未来几十年里能有数百万台这样的发电机。
所以如果我们能做到那一步，如果我们能做到一天造一台发电机，你就不是——现在说的就是每年几百台了，而且你还要部署它们。
而在这种规模下，部署它们也很难。你如何在这种规模下部署电厂、部署发电机，而且要做得快？有意思的是，数据中心在这方面是个稍微好应对一些的挑战，因为我们不会只造一套50兆瓦的系统，然后还得专门为它建一个场址。我们会建一个场址，在上面放100台，为那个大型数据中心提供大量电力。所以在某些方面，这其实就是如何部署成百上千台聚变发电机这个先有鸡还是先有蛋的问题。数据中心是一个很有意思的应用场景，它马上就需要在很小的区域内获得大量电力。而你可以去、可以去做到这一点。那么，这意味着什么？这意味着我需要的传送带肯定不止两条。
是啊，制造真的很难。但就像你说的，有意思的是，它很难，但在做的过程中，你会弄明白所有其他东西：科学、物理，以及一切。当你必须进行规模化制造时，创新会加速。看着这个过程真的很有意思。在航天行业你也能看到这一点。我们人类什么时候能达到卡尔达肖夫 I 型文明的水平？什么时候能达到卡尔达肖夫 II 型？
说到卡尔达肖夫文明等级：卡尔达肖夫 I 型文明是指人类捕获或产生的功率与太阳照射到地球上的功率相当。II 型是下一个重大级别，即你能从太阳周围全方位捕获那么多的能量，也就是海量的能量。很多时候，人们把它说成是入射能量，就好像你有和整个星球一样大的太阳能电池板，挡住了全部阳光。但我认为，真正应该考虑的是我们能产生多少能量？我们能在地球上制造出多少？而我们知道的是，你知道，我们目前只达到了卡尔达肖夫 I 型的一小部分，还有不少工作要做。而能够实现这一目标的技术并不多，单从燃料的角度来看就是如此。
对。
但如果像一些研究所说的那样，地球上的聚变燃料足够用1亿到10亿年，那我们还有很大的空间，而这还是按今天的用量计算的。所以即便是今天用量的100倍，我们仍然有大量燃料。那就去做吧。而这会解锁什么？拥有相当于我们现在在地球上实际产出100倍的电力，会解锁什么？我认为那将是相当具有变革性的。我们会拥有那些巨大的 AI 数据中心吗？我们会拥有能够以极快速度思考并进行创新的大脑吗？我认为那是一个相当强大的未来。
是啊，我能想象一个巨大的 AI 大脑，还有火箭不断地把越来越多的人送入太空，去殖民太空，我们向宇宙扩张。我的意思是，这是一幅美丽的……当然也有很多值得担忧的地方。技术本身永远是一把双刃剑。人们总是担心，我们人类会用自己创造出的力量，以明显和不那么明显的方式毁灭自己。我最近花了很多时间待在大自然里。
你会清楚地意识到，大自然所达到的那种简单与平衡，有某种真正特别的东西。从某种意义上说，我们通过创造复杂的技术打破了这种平衡。但从另一种意义上说，我们正在本着大自然的精神构建某种越来越美的东西，让我们人类能够以越来越丰富的方式繁荣发展。所以，是一把双刃剑。
我经常思考大量低成本能源、低成本电力能带来什么，以及它如何与自然相处。如果你有电力——这也是我们热爱聚变的原因之一——它的能量密度很高。一座50兆瓦的设施，我们认为可以装进一栋2.7万平方英尺的建筑里，大约一英亩的量级，就能提供50兆瓦。相比之下，太阳能需要2000英亩，至少在西雅图是这样。而你在这方面能做的事情是变革性的。很多人谈到海水淡化和清洁用水，这样我们就能在缺水的地方生活之类的。说来有点讽刺，我其实想的是食物，也就是地球表面有多少曾经是自然的地方，现在变成了农田。
而我们需要农田。我们要种粮食，因为人类需要吃饭，这非常关键，但在整个地球上，农作物只有大约五英尺高。为什么不能做到500英尺高？为什么不能建一栋在室内种植植物的建筑？说来讽刺，我花了很多时间思考如何高密度地种植粮食作物，这样我们就能吃饭、生存，并以一种能量密集且丰富的方式共存。你刚才提到了去太空。我们现在是怎么去太空的？我们用甲烷燃料或氢燃料，把它们烧掉，发射火箭。
我职业生涯早期研究过各种很酷的波束推进火箭技术，你可以用波束发射微波，这样就有了一种不需要燃烧任何燃料的微波飞行器。所以如果你在地球上拥有高密度、高质量的电力，就可以把它以波束形式传输给那台微波飞行器。它就能把电力当作火箭燃料。所以你可以做一些非常强大、有趣的事情。在深空中，它能带来的可能性更多，但哪怕只是从地球发射也是如此。
所以我认为它会开启一些我们甚至没真正想过、只是在理论上设想过的东西：“哇，如果我能在一个很小的地方拥有大量低成本的电力，它就能做到这些。”但让我兴奋的是，它能解锁我们现在已经能想到的东西，甚至还有我们想不到或者还不知道的东西。
既然你提到了推进，核聚变在推进方面有没有什么有意思的用途、可能的用途，无论是用于离开地球，还是用于前往深空？
我的意思是，那是……老实说，在很多方面，这正是我进入聚变领域的原因，就是思考能源与太空旅行的交汇点。
当你在太阳系里、在地球轨道附近时，收集太阳能非常合理。它就在那儿，而且是免费的。在太空中你能获得更多太阳能，因为没有大气层遮挡。这就是航天器靠太阳能电池板运行的原因。但如果你想走得更远，太阳辐照度会随距离 R 的平方成反比衰减，而外面的距离非常遥远。用不了多久，任何地方都已经没有多少来自太阳的能量了。所以你必须自己携带能量，而在太空中，质量是昂贵的。质量是个难题。这就是火箭方程。能够携带高能量密度的燃料非常令人兴奋，而这正是聚变所能实现的。但这里有一个挑战。
如果你用蒸汽循环把聚变能转化为电力，你就需要一个冷端。你得到了热水，接下来还得有办法把它冷却下来。而在太空中，没有可以用来冷却的东西，没有可供散热的工质。所以，聚变领域里很多基于蒸汽的系统放到太空里是行不通的。这正是直接能量转换、这种能量效率发挥作用的地方。这其实也关系到创立 Helion 的那个团队的一些起源故事。在把 Helion 拆分出来、只专注于聚变之前，我们做过各种各样的东西：先进材料、火箭推进、聚变火箭、聚变材料，所有这些。
不错。
航空航天领域的人都知道一件事，尤其是在深空中：你不能浪费任何东西。你产生的每一瓦电力都最好用上，因为获得它的代价很高，或者说太阳能电池板的代价很高。你产生的每一点热量——每一焦耳的热、每一瓦热功率——，都必须通过散热器排出去，而散热器极其昂贵又沉重。所以在太空中，你会把东西造得尽可能高效。你会循环利用水和空气，所有这些方面都讲求效率。我们把这一点带进了对聚变能源效率的思考中，那就是你想要……如果我的目标是制造产品，那产品是什么？产品是电力。一点都不要浪费。
通过直接回收电力，尽可能回收每一瓦。尽可能高效地从聚变过程中回收每一瓦电力，最终你就会得到——就像在太空中一样——更小、性能更高、能交付更多的系统，不管任务是什么。在我们这里，任务就是电力。
当你仰望星空时，我对那里发生的事情真的很困惑，因为我认为外面肯定有成千上万、甚至数以百万计的先进外星文明。我真的很困惑，为什么我们还没有确切地遇到过其中任何一个。所以，继续问这种“嗑嗨了”式的问题：你觉得它们在用什么能源？如果我说的是真的，外面确实存在外星文明，你觉得是否几乎可以肯定，它们为了向宇宙扩张，会使用核聚变？
很难想象还会是别的。现在，宇宙中的能量来自哪里？来自聚变。来自恒星，我们知道就是这个过程。所以，不管它们是直接利用恒星本身，也就是卡尔达肖夫二型文明，还是因为想去某个地方而随身带着聚变装置去造访，我认为这都相当有可能。你提到了费米悖论。
为什么我们看不到外星文明？即便任何一颗行星上存在生命的概率微乎其微，生命进化为智慧生命的概率也微乎其微，但在我们的银河系里，围绕着无数恒星运行的行星几乎无穷无尽，而且它们存在的时间远比我们长得多。可我们就是没看到，我认为这是许多科学家乃至所有人多年来一直在苦苦思索的问题。
我是说，它背后的含义让我非常害怕。可怕的是，正如我们之前说到的，随着我们的技术越来越先进，我们最终会毁灭自己。比如，我们可能会解锁某些东西，像核武器，但还要强大得多。当你开发出超级先进的系统时，可能会出现一些新东西，它们几乎有 100% 的概率毁灭我们自己、毁灭任何智慧生物。那种雄心勃勃、不断创新的智慧生物最终会毁灭自己，这会是一种解释。这很可怕。这应该是一个让人清醒的……至少是一个既能激励人、又让人清醒的想法：对我们创造的东西要谨慎。但我也会看看人类。我们会创造危险的东西。
然后有时几乎是在最后一刻，才想出办法不让自己毁灭。我们很擅长应对截止期限。
我们很擅长应对截止期限。我们……
而且我们很擅长生存。我们所知的地球生命似乎总能找到出路，我们所知的智慧生命、人类生命，似乎也总能找到出路。我们一路上做了很多痛苦的事情，但最终总能以某种方式活下来。这很有意思。人类精神中有某种东西……让我们得以生存。所以我非常乐观，相信我们创造的那些超级强大的技术最终会让我们继续生存数千年。但话说回来，为什么外星人不在这里呢？所以也有可能是穿越太空真的非常困难。也许它真的就是那么难。物理规律让这件事并不容易。太空太大了，旅行就是很难。
我觉得，随着我在打造真正可行的聚变系统这条路上走得越来越远，我在费米悖论这个问题上反而变得更乐观了。而且关于费米悖论有好几种解释。我想你指的是所谓的“大过滤器”：发生了某种事情，把生命过滤掉了。“黑暗森林”是另一种理论，认为：“当然，外面是有生命，但大家都躲起来了，因为不想被发现。”但其实我想的是另一种。我一直很喜欢的一种理论——我可能会念错，所以先说声抱歉——是俄罗斯套娃脑（Matrioshka brain）……
……它认为，这对应卡尔达肖夫二级，文明发展到非常先进的程度后，重心不再是物理上的扩张、在太空中扩张、通过在新的地方插旗来扩大自己的势力范围，而是增强自己的认知、增强思考的能力。它们壮大自己的大脑，提升自己的智力。我觉得过去几年里，我们看到了一个巨大的趋势，也许这就是会发生的事情：我们确实在提升自己的智力，通过 AI 和先进工具来提升整个物种的智力。作为一个社会，我们可能会变得足够聪明，以至于不需要到处去插那些旗。
所以，俄罗斯套娃脑就是一种戴森球：一个文明基本上用太阳能电池板把整个太阳覆盖起来，或者以某种方式收集它的光，然后用所有这些能量来驱动智能、驱动计算机、驱动大脑。我认为我们离那一步还有相当一段距离，但也许 AI 和聚变结合起来，真的能让你更早走上那条路。费米悖论的这种结局让我很兴奋。到那时，这些文明所拥有的恒星你已经找不到了，因为它被完全覆盖了，它们就在那里思考、增长自己的智力，而不必真正在物理上扩张。
是的。在认知和意识的领域中探索和扩张，而不是像我们这些 21 世纪、带着殖民者思维的人类所想的那样，在空间和时间的领域里扩张。也许 22 世纪的人类会以根本不同的方式思考。是啊，这是对未来非常、非常美好的愿景。说到美，你一直在很多有意思的学科里做着很多非常有意思的事情。对你来说……这是个荒唐的问题，物理学和核工程、核聚变和发电厂领域里最美的想法是什么？有哪些想法会让你退后一步，心生敬畏？
我一直对它居然能行得通感到敬畏。我知道这么说听起来有点傻。但在我的职业生涯中，我学得越多，就越了解那种平衡：恰好能让生命运转的温度，电磁力和强力之间恰到好处的平衡。很难想象这些是偶然的。所以我们会谈论大自然有多美，但当你去看树上的每一片叶子究竟是什么，看每一个细胞、每一个原子、那个原子的每一层量子亚结构，我就会惊叹于所有这些部分竟然能组合到一起。
我们人类竟能找到那个完美的平衡点，让一切就这样运转起来。
就这样运转起来。有时是在最后一刻，但它确实能行。
你所面对的那种截止期限，与你共事、或者说你身处其中的那群才华横溢的人，光是想想就让我压力很大。但这也让我兴奋，所以我非常感激你在做这项工作。你是正在构建激动人心的未来的人之一。所以谢谢你做这些。也非常感谢你今天来聊天。
非常感谢。聊得很开心。
感谢收听本期与 David Kirtley 的对话。如需支持本播客，请查看节目简介中的赞助商，在那里你还可以找到联系我、提问、提供反馈等的链接。现在，让我用伟大的约翰·F·肯尼迪的一句话作为结束：“我们选择做这些事，不是因为它们容易，而是因为它们困难。”感谢收听，希望下次再见。