探索核聚变前沿：George Tynan教授的理论与实践融合
George Tynan教授，一位在聚变能源领域声誉卓著的专家，现以Norman C. Rasmussen兼职教授的身份，正式加入麻省理工学院（MIT）核科学与工程系（NSE）及等离子体科学与聚变中心（PSFC）。他的到来，标志着MIT在攻克聚变等离子体重大物理与工程挑战方面迈出了坚实一步，旨在加速实现实用化聚变能源的宏伟愿景。Tynan教授独特的学术生涯轨迹，从航空航天工程到等离子体物理，再到聚变工程，深刻反映了他对前沿科学探索与社会重大需求的敏锐洞察。
跨学科之旅：从火箭推进到聚变能源的突破
Tynan教授的科学探索之路并非直线。在获得航空航天工程学士学位后，他在工业界的工作激发了他对火箭推进技术的浓厚兴趣。鉴于大多数推进方法都涉及对高温电离物质——即等离子体——的操控，Tynan教授自然而然地将研究重心转向了等离子体物理。正是这一转变，让他深刻认识到等离子体在驱动核聚变反应中的关键作用。“作为一种潜在的能源，核聚变具有变革世界的巨大潜力，能够参与到对未来产生深远影响的工作中，对我而言极具吸引力”，Tynan教授曾如此阐述他的早期动力。这份驱动力，即通过深入研究等离子体物理和聚变工程来兑现聚变能源的承诺，至今仍是Tynan教授工作的核心。
Tynan教授对科学与工程的热情可追溯至童年。他的电气工程师父亲曾供职于美国太空计划，这使得他的家庭搬迁至佛罗里达州的卡纳维拉尔角。“那是20世纪60年代，我们正将‘土星五号’送往月球，我得以在海滩上观看每一次发射”，Tynan教授回忆道。这段经历塑造了他对流体流动机制的强烈好奇心。“我会把手伸出车窗外，假装那是一架飞机机翼，随着迎面而来的气流倾斜，感受作用在手上的力如何变化”，这一趣事揭示了他对物理现象的早期沉迷。这份兴趣最终促使他在加州州立理工大学波莫纳分校攻读了航空航天工程学士学位。在私营部门工作后，他对利用等离子体开发推进系统产生了兴趣，促使他前往加州大学洛杉矶分校攻读研究生。正是在那里，他意识到等离子体同样可以作为核聚变的基石，从而将他的研究方向彻底转向了这一领域。尽管当时气候变化尚未像今天这样引起公众广泛关注，但Tynan教授已预见到“石油和天然气并非取之不尽用之不竭，总有一天，我们将不得不广泛采用基于核能的能源方案。”这种对长远未来的洞察力，以及实现聚变所需的持续努力，深深吸引了他。
博士研究：揭示等离子体能量约束的奥秘
为了从核聚变中获取能量，准确测量“能量约束时间”至关重要，它衡量的是当所有热源关闭时，高温燃料冷却所需的时间。在Tynan教授攻读研究生之初，这一指标仍停留在经验性猜测阶段。他决定将研究重点放在可观测约束时间的物理机制上。他的博士研究深入探究了等离子体湍流行为与传统流体的根本差异。通常，当普通流体被搅动得越来越剧烈时，其运动最终会变得混沌或湍流。然而，受约束的等离子体表现出令人惊讶的特性：当被充分加热时，等离子体边界的湍流传输会自发地被抑制。
此前，德国的一项实验曾意外地发现了这种等离子体行为。尽管随后在其他实验装置上的工作证实了这一惊人发现，但所有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研究员的Brian LaBombard（现为PSFC高级研究科学家）指导Tynan教授开发了一套朗缪尔探针。朗缪尔探针是一种相对简单的等离子体湍流诊断工具，用于进一步研究这种不寻常的现象。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点，因此能够比当时其他任何人更详细地研究这种湍流猝灭现象”，Tynan教授回顾道。作为一名博士生和随后的博士后，Tynan教授深入研究了这一现象，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研究设施之间，积累了丰富的跨国合作经验。
UCSD与MIT：从学术领导到商业化聚变前沿
完成博士学位和博士后工作后，Tynan教授在一家初创公司工作了几年。当他得知加州大学圣地亚哥分校（UCSD）工程学院正在组建一个新的聚变研究团队时，他应邀加入，并建立了一个专注于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，随后又担任机械与航空航天工程系主任，这些领导职务他任职了近十年。
2023年，Tynan教授在MIT进行学术休假期间，与NSE的Dennis Whyte、Zach Hartwig和Michael Short等教职人员的交流，激发了他对私营部门在实现聚变能源过程中所面临挑战的浓厚兴趣。他看到了在MIT解决重要问题的机会，这些问题与他在加州大学圣地亚哥分校的工作相辅相成。
Tynan教授非常期待在NSE攻克他所称的“聚变等离子体的重大物理与工程挑战”：如何有效移除燃烧等离子体产生的热量和排气，以防止其损害聚变装置的壁面，并避免等离子体被氦灰窒息。他还希望探索实用的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质材料，以延长其使用寿命，同时最大程度地减少放射性废物的产生。
展望未来：加速聚变能源的商业化进程
“十到十五年前，我曾对在有生之年能否看到聚变能源的商业化开发感到有些悲观”，Tynan教授坦言。但这种看法已经改变，他目睹了MIT与Commonwealth Fusion Systems（CFS）以及其他私营部门公司之间的合作，这些合作旨在加速聚变能源在现实世界中的部署时间表。例如，2021年，MIT的PSFC和CFS在实现商业化碳中和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聚变磁体——高温超导磁体。这一里程碑式的突破尤为激动人心，因为它使实现聚变能源梦想的承诺感觉更加触手可及。置身MIT，“似乎是深入了解聚变能源开发工作进展的最快途径”，Tynan教授表示。
此外，“在MIT学术休假期间，我看到了研究人员和学生们如何迅速地抓住新想法的建议并将其付诸实践，这令我深感着迷”，他补充道。Tynan教授将其独特的专业知识组合带到了MIT。除了在等离子体物理方面拥有丰富的经验外，他还投入了大量时间研究材料等核心工程问题。“关键在于将整个系统整合为一个可行且可运作的整体”，Tynan教授强调。他的加入，无疑将为MIT在推进实用核聚变能源的理论研究与工程实践之间架起一座桥梁，加速清洁能源未来的到来。
