核聚变：探寻无限清洁能源的科学征途
乔治·泰南教授，作为麻省理工学院（MIT）核科学与工程系的兼职教授，正站在核聚变研究的前沿，致力于攻克等离子体物理与工程领域的关键挑战。他的工作核心在于为实现实用化的核聚变能源提供坚实的工程解决方案，这一宏伟目标驱动着他从一个独特的视角审视并推动着这一颠覆性技术的进步。
泰南教授的职业生涯轨迹并非一条直线，反而充满了探索与转折。他最初在航空航天工程领域深造，对火箭推进技术产生了浓厚兴趣。由于大多数推进系统都涉及高温电离物质——即等离子体的操控，这自然而然地引导他走向了等离子体物理研究。在此过程中，他逐渐意识到等离子体不仅能用于推进，更蕴含着驱动核聚变的巨大潜力。对他而言，核聚变作为一种潜在的能源方案，具有改变未来的变革性力量，这种能够对人类未来产生深远影响的工作，无疑是极具吸引力的。
童年兴趣与学术启蒙
泰南教授对科学与工程的热情可追溯至童年时期。他的父亲是一名电气工程师，在美国太空计划中任职，这使得泰南一家在20世纪60年代搬到了佛罗里达州的卡纳维拉尔角。在那个阿波罗计划如火如荼的年代，他亲眼目睹了土星五号火箭发射升空的壮观景象，这些经历在他心中播下了对流体动力学好奇的种子。他常在车窗外伸出手，模拟飞机机翼，感受气流带来的力学变化，这种对自然现象的直观探索，最终促使他在加州州立理工大学波莫纳分校获得了航空航天工程学士学位。
在私营部门工作一段时间后，泰南发现自己对等离子体在推进系统中的应用产生了更深的兴趣。这种兴趣引导他进入了加州大学洛杉矶分校攻读研究生，正是在这里，他意识到了等离子体同样可以用于实现核聚变。尽管当时气候变化尚未像今天这样成为公众关注的焦点，但他预见到了化石燃料的有限性，并坚信人类社会最终将大规模转向核能。实现核聚变需要长期而持续的投入，而正是这种挑战性吸引着他投身于这一领域。
博士研究：等离子体湍流的深层奥秘
要从核聚变中获取能量，精确测量“能量约束时间”至关重要，它衡量了热燃料在所有热源关闭后冷却所需的时间。在泰南开始研究生学习时，这一测量值仍主要依靠经验估算。因此，他决定将研究重心放在可观测约束时间的物理学上。他的博士研究聚焦于等离子体中湍流行为与传统流体之间的根本差异。通常，当普通流体被剧烈搅拌时，其运动最终会变得混沌或湍流。然而，等离子体却表现出令人惊讶的特性：当受约束的等离子体被充分加热时，它会在等离子体边界自发地抑制湍流输运。
德国的一项实验曾意外地发现了这种等离子体行为，随后的研究在其他实验装置上也证实了这一惊人发现。然而，早期的实验都缺乏详细测量湍流的能力。当时在加州大学洛杉矶分校担任博士后的布莱恩·拉博姆巴德（Brian LaBombard，现为PSFC高级研究科学家）指导泰南开发了一套朗缪尔探针（Langmuir probes），这是一种相对简单的等离子体湍流诊断工具，用于深入研究这一不寻常的现象。这构成了他博士论文的基础。“我恰好在正确的时间出现在了正确的地方，因此能够比以往任何人都更详细地研究这种湍流抑制现象，”泰南回忆道。作为一名博士生和后来的博士后，泰南深入研究这一现象，频繁往返于德国、普林斯顿大学等离子体物理实验室和加州大学洛杉矶分校的各个研究机构之间，积累了宝贵的国际合作经验。
圣迭戈的十年与MIT的新篇章
完成博士和博士后工作后，泰南在一家初创公司工作了几年。在此期间，他得知加州大学圣迭戈分校的工程学院正在组建一个新的核聚变研究小组。在收到邀请后，泰南加入了该学院，并建立了一个专注于核聚变系统中等离子体湍流和等离子体-材料相互作用的研究项目。最终，他晋升为工程学院副院长，后来又担任机械与航空航天工程系主任，在这些职位上服务了近十年，展现了卓越的学术领导力。
2023年，泰南教授在MIT进行了一次学术休假访问。与核科学与工程系教员丹尼斯·怀特（Dennis Whyte）、扎克·哈特维格（Zach Hartwig）和迈克尔·肖特（Michael Short）的交流，使他深刻认识到私营部门在实现核聚变商业化过程中所面临的挑战。他看到了MIT在解决这些关键问题上的独特优势，这与他在加州大学圣迭戈分校的工作形成了良好的互补，促使他决定投身于MIT的科研事业。
在MIT，泰南教授将聚焦于核聚变等离子体的“重大物理和工程挑战”。这包括如何有效地清除燃烧等离子体产生的热量和废气，以防止其损坏聚变装置壁，并避免等离子体被氦灰“窒息”。此外，他还希望探索实用核聚变能源的稳健工程解决方案，特别关注开发用于聚变装置的更优材料，以延长设备寿命，同时最大限度地减少放射性废物的产生。这些都是将核聚变从科学构想变为现实能源的关键瓶颈。
商业化前景与跨学科融合
“十到十五年前，我对在有生之年看到核聚变商业化多少有些悲观，”泰南坦言。然而，这种看法已经彻底改变。他亲眼目睹了MIT与英联邦聚变系统公司（CFS）以及其他私营企业之间的紧密合作，这些合作旨在加速核聚变在现实世界中的部署。例如，2021年，MIT的等离子体科学与聚变中心（PSFC）与CFS在实现商业碳自由发电方面迈出了重要一步：他们设计并建造了世界上最强大的高温超导磁体。这一里程碑式的成就让人感觉实现核聚变能源梦想的承诺变得触手可及。泰南表示，来到MIT“似乎是深入了解核聚变能源发展工作最快捷的方式”。
此外，在MIT学术休假期间，他观察到研究人员和学生能够迅速抓住新想法并将其付诸实践，这让他深受启发。泰南教授将他独特的专业知识融合带入这一领域。除了在等离子体物理方面拥有丰富的经验，他还花费大量时间深入研究材料等硬核工程问题。“关键在于将所有要素整合到一个可行且可操作的系统中，”泰南教授强调道。通过将等离子体物理的深层理解与前沿工程实践相结合，泰南教授致力于构建一个全面而高效的核聚变能源系统，为人类的未来提供可持续的清洁能源解决方案。他的工作不仅是科学探索，更是工程实践的典范，预示着核聚变商业化进程的光明前景。
