做不可能的事

所有被证明是不可能的事情显然都必须依赖于一些假设，当这些假设中的一个或多个不为真时，不可能性证明就会失败--但专家很少记得在做出“不可能”的陈述之前仔细检查这些假设。

理查德·汉明，“你和你的研究”(1986)，第182页。

我们都熟悉许多政要，包括开尔文和爱迪生，他们在赖特兄弟在小鹰取得成功的几年前就宣布不可能有比空气重的飞行器。在核聚变领域，最近有一种趋势是引用或类比小鹰。问题来了：核聚变是在莱特兄弟的时刻，还是在达芬奇的时刻？(达芬奇关于飞行的想法超前于他们的时代--莱特兄弟的想法很准时。)。

这里有几个与核聚变相关的失败的不可能证明的例子，而不是猜测未来。最后，我将把所有这些联系在一起，并进一步思考不可能性证明作为解决方案指针的价值。

虽然看起来可能不是这样，但Levitron磁力陀螺是相当相关的。Levitron由一个小的旋转陶瓷磁铁组成，它悬停在一个大磁铁的上方。没有弦，没有超导体，也没有电子设备。根据恩肖定理，仅使用永磁体的静态悬浮是不可能的。物理学家告诉Levitron的发明者Roy Harrigan，他试图做的事情是不可能的--只不过是另一台永动机。哈里根坚持下来，最终完善了这个装置。这是值得注意的，因为Levitron需要仔细调整-一定需要极大的耐心。一旦哈里根展示了他的发明，物理学家就能够解释它：恩肖定理是正确的，但它只适用于静态磁铁--列维特龙实际上是在轨道上。(来源：自旋稳定的磁悬浮，作者：Martin，Helinger，&；Ridgway，Am。J.Phys.。65、4、1997)。

在Levitron和用于核聚变的场反转配置(FRC)概念之间有着密切的相似之处。FRC和Levitron都可以被认为是在外部磁场中指向“错误方向”的磁偶极子。如果没有旋转，偶极子会端对端翻转以与外场对齐。(在FRC中，有问题的旋转是单个粒子的形式，其轨道与等离子体本身的直径大致相同。)。与托卡马克相比，FRC有几个优势。例如，对于给定的外部磁场强度，FRC可以支持大约10倍的等离子体压力，从而获得100倍的聚变功率密度。TAE技术公司(我目前的雇主)正在追求这一理念，其他公司(如氦离子能源和紧凑型聚变系统)也是如此。

这是另一个静态等离子体不稳定，但运动等离子体稳定的例子：Zap Energy追求的剪切流稳定的Z-Pinch。Z-箍缩确实是不稳定等离子体构型的教科书示例，因为它非常容易分析，而且它是核聚变反应堆的第一批尝试构型之一。它的优点是不需要外部磁场线圈-磁场是由流经等离子体本身的电流产生的。需要注意的是，等离子体必须与产生电流的两端电极直接接触--这对等离子体和电极都是坏消息！(旁注/自我宣传：剪切流Z-箍缩的物理原理与我发现的一个现象非常相似--柱状肥皂泡的流动稳定。你可以在家里试试这个。)。

对看似无关紧要的假设的违反将这些例子联系在一起。恩肖定理假定静止悬浮。这个定理是正确的--它只是不适用于Levitron。同样，FRC不稳定性的“证据”假设粒子轨道非常小--这在其他磁约束配置中是一个很好的假设，但对于FRC方法中涉及的较低磁场则不是这样。在Z箍缩的情况下，静态等离子体假设似乎是合理的-剪切流的稳定作用多年来一直没有得到重视，因此静态等离子体假设似乎只是让数学变得更简单。

我们能把汉明的洞察力转化为实现不可能的秘诀吗？贝尔的俏皮话切中了问题的核心：认识到要打破哪些假设，以及以何种方式打破，需要创造力、想象力，或许还需要直觉和运气。并不是每个假设都是关键的，因为违反它会产生解决方案。此外，假设可能会被违反或修改的方式可能有很多种--并不是所有的方式都是有效的。生产路径也不总是显而易见的。实际上，还有哪些假设可能被违反的问题。

不可能的证据并不是没有价值的-它们排除了某些领域的搜索空间，这可以节省时间和精力探索徒劳的途径。假设通过去除变量来简化推理--我们不能总是从基本原理出发。删除假设会使推理和计算变得更加困难，因此要有选择地删除哪些假设是很重要的。一个有用的不可能性证明是假设很少、很明确并且是结论所必需的(也就是说，如果没有假设，解决方案就会成为可能的)。

回到聚变能源：麻省理工学院核聚变研究项目前主任劳伦斯·利德斯基(Lawrence Lidsky)在1983年为具有经济竞争力的聚变能源阐明了一个“不可能的证据”。简而言之，利德斯基认为，使用传统氘氚燃料的聚变装置在经济上不会与核裂变相比具有竞争力。对于聚变和裂变，电力成本的主要贡献是资本成本-由于燃料的巨大能量密度，燃料成本很小。另一方面，聚变反应堆的功率密度将比裂变低10倍或100倍，因此它们将按比例大于同等的裂变反应堆核心。聚变反应堆也是更复杂的技术。聚变反应也会对固体材料造成更多的中子破坏，需要频繁的维护。因此，聚变将比裂变更昂贵-后者在经济上已经不是很有竞争力。

利德斯基对核聚变的批判有大量的假设，其中一些是隐含的，并不是所有的都是必要的-换句话说，它是可以改进的。我正在写一系列针对他的假设的帖子，看看能从这些争论中学到什么。我的下一个帖子将是看看当代的能源经济学，然后考虑如何在聚变反应堆中实现高功率密度。