12月13日，位于美國加利福尼亞洲的勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室里，研究人員宣布了一次重大突破——首次在核聚變反應中實(shí)現了能量的凈收益，即產(chǎn)生的能量比輸入的能量更多。

　　盡管，這個(gè)過(guò)程僅持續了不到一秒。白宮科學(xué)顧問(wèn)Arati Prabhakar在美國能源部舉行的新聞發(fā)布會(huì )上表示，這是一次科學(xué)的里程碑事件，是人類(lèi)通往清潔能源的道路。

　　如果核聚變能夠投入到商業(yè)化發(fā)電中，能夠提供一種清潔能源，既沒(méi)有化石燃料產(chǎn)生污染，也能夠避免核電站所產(chǎn)生的危險廢物。

　　只是，這種理想的終極能源，究竟何時(shí)方能實(shí)現商業(yè)化?業(yè)內人士預計，要實(shí)現核聚變的商用化，至少還需要20年-30年。

　　人類(lèi)的終極能源形態(tài)

　　自工業(yè)文明誕生以來(lái)，人類(lèi)社會(huì )共經(jīng)歷兩次重大能源變革：蒸汽與電力。這兩項基于對化石能源的應用，讓人類(lèi)科技發(fā)展速度呈指數級上升。但受限于較高的開(kāi)采和運輸成本，以及高污染的特性，如何替換化石能源成為困擾世界的難題。

　　1942年12月2日，在康普頓領(lǐng)導的美國芝加哥大學(xué)的冶金實(shí)驗室里，首次取得了受控制的原子核鏈式裂變反應，這標志著(zhù)人類(lèi)正式叩響核能的大門(mén)。十年后，人類(lèi)歷史上的首座商業(yè)核電站動(dòng)工建設。

　　也是在這一年，第一顆氫彈“Mike“在太平洋珊瑚島上被引爆。其能量釋放當量為1000萬(wàn)噸TNT，這是美國當年在廣島投下的原子彈威力的500倍。如此驚人的能量釋放吸引了眾多科學(xué)家前赴后繼地投入到對它的探索中，他們研究的目標只有一個(gè)，如何讓這種能量作為商業(yè)能源被人類(lèi)所使用。

　　不過(guò)，聚變反應的商業(yè)化難度要遠遠高于裂變反應。需要說(shuō)明的是，兩者發(fā)生的條件完全不同，通俗來(lái)講，核聚變就是小質(zhì)量的兩個(gè)原子合成一個(gè)比較大的原子，核裂變就是一個(gè)大質(zhì)量的原子分裂成兩個(gè)比較小的原子。

　　太陽(yáng)中，每時(shí)每刻都在發(fā)生著(zhù)核聚變反應。其通過(guò)引力，對聚變的燃料產(chǎn)生約束，在引力約束下，日核區的氫會(huì )不斷發(fā)生聚變反應，從而釋放出巨大的能量。

　　千萬(wàn)不能小看這些氫原子的能量。由于核聚變所使用的原料是氫和其同位素，一升的海水，所含的氫的同位素氘完全聚變所釋放的能量，相當于300升的汽油。一杯水中的氘加上一點(diǎn)氚，可以為一座房子提供一年的電力。

　　當聚變反應發(fā)生時(shí)，瞬時(shí)溫度可以高達上億攝氏度，因此想要利用這種能量的前提是，必須有一個(gè)容器能夠承受如此高的溫度，但沒(méi)有任何一個(gè)地球上的物質(zhì)能夠扛得住這個(gè)高溫。

　　顯然，如果從材料學(xué)的角度去解決容器問(wèn)題肯定是行不通的。

　　1954年，蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所提出了“托克馬克裝置”，簡(jiǎn)單的說(shuō)，該裝置其實(shí)就是在一個(gè)大型真空容器里面注滿(mǎn)氣體，然后把氣體電離變成等離子體，再用強磁場(chǎng)把帶電粒子控制住，讓它在真空容器里面懸浮起來(lái)。

　　雖然托卡馬克裝置耐高溫，但在實(shí)際應用中，約束等離子體的磁場(chǎng)很不穩定，這一問(wèn)題至今仍未得到有效解決。

　　比如目前世界紀錄的保持者“東方超環(huán)”，這個(gè)由中科院等離子體所自主設計的磁約束核聚變裝置，曾在去年12月創(chuàng )下了”在1.2億攝氏度下穩定運行101秒“的業(yè)界紀錄。但如果想要實(shí)現商業(yè)化，這個(gè)穩定運行的時(shí)間單位至少要以天來(lái)計算。

　　

 

　　東方超環(huán)(EAST)，圖片來(lái)源：視覺(jué)中國

　　可控核聚變另一項技術(shù)難點(diǎn)是，如何解決能量增益Q值大于1的問(wèn)題。由于等離子體在加入過(guò)程中能量會(huì )不斷損失，因此科學(xué)家們以Q值衡量核聚變反應的能效比，當數字大于1時(shí)，就說(shuō)明在反應過(guò)程中，核聚變產(chǎn)生的能量已經(jīng)大于投入的能量。如果這個(gè)前提無(wú)法滿(mǎn)足，則可控核聚變的商用化無(wú)從談起。

　　1997年，全球最大的托卡馬克裝置(JET)在一次實(shí)驗中Q值達到0.67，這也是此前有證可查的Q值中最接近1的一次。在此后20余年的時(shí)間里，雖然JET在峰值功率上屢次突破新高，但Q值反而卻在降低，在去年12月的一次實(shí)驗中，JET實(shí)現了5秒內產(chǎn)生59兆焦耳的持續能量，而Q值僅為0.33。

　　這也很好地解釋了，為什么這一次勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室(LLNL)公布的成果會(huì )如此令人振奮。

　　根據LLNL公開(kāi)的數據，在本次核聚變實(shí)驗中，共向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，能量增益達到135%。

　　不過(guò)需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，LLNL聲稱(chēng)的135%能量收益，是從激光能量輸入來(lái)算的，并未將電能轉化未激光過(guò)程中的能量損耗算進(jìn)去，嚴格意義來(lái)說(shuō)，這并不能算是Q值實(shí)現1的突破。

　　但無(wú)論如何，LLNL邁出了可控核聚變技術(shù)探索中的關(guān)鍵一步。

　　實(shí)現商業(yè)化還需要時(shí)間

　　“這只是可控核聚變的一小步，但確實(shí)是人類(lèi)科技的一大步。”中科創(chuàng )星創(chuàng )始合伙人米磊談到此事時(shí)難掩激動(dòng)，“我認為可控核聚變將是一個(gè)能夠超越瓦特蒸汽機效用的‘革命性科技’。”作為一家以早期投資為主的風(fēng)險投資機構，中科創(chuàng )星選擇在今年開(kāi)始布局可控核聚變領(lǐng)域，并已經(jīng)投資了三家國內的初創(chuàng )公司。在米磊看來(lái)，國內在可控核聚變的投資上，還處于一個(gè)政府主導的時(shí)期，現在，VC也已經(jīng)開(kāi)始介入了。

　　一份由核聚變工業(yè)協(xié)會(huì )和英國原子能機構出具的《2021年全球核聚變產(chǎn)業(yè)》報告中提及，據不完全統計，截至2020年，全球可控核聚變的私人公司一共有23家。

　　

 

　　數據來(lái)源：《2021年全球核聚變產(chǎn)業(yè)》

　　在全球可控核聚變公司的目標市場(chǎng)中，主要有發(fā)電、航空推進(jìn)、船舶推進(jìn)等方面，其中，發(fā)電方面的市場(chǎng)最多，占據95.7%。

　　

 

　　

 

　　數據來(lái)源：《2021年全球核聚變產(chǎn)業(yè)》

　　實(shí)現核聚變的方式有三種，引力約束、慣性約束和磁約束。根據核聚變工業(yè)協(xié)會(huì )的那份報告顯示，目前全球可控核聚變所采用的方式多以磁約束為主，通過(guò)磁場(chǎng)，對帶電的原子核產(chǎn)生洛倫茲力從而進(jìn)行約束，星環(huán)聚能創(chuàng )始人陳銳在一次公開(kāi)演講中就提及，如果可以長(cháng)時(shí)間穩定地約束聚變的等離子體，就能夠實(shí)現可控的核聚變。

　　國際上的主流做法是建設ITER這種大規模裝置，通過(guò)更大尺寸來(lái)提高聚變堆的功率。這是一條更為穩妥的道路，但投資金額幾乎要到上千億元。在法國和英國的ITER項目里，研究人員通過(guò)一個(gè)巨型甜甜圈形狀的機器來(lái)嘗試實(shí)現核聚變，這個(gè)甜甜圈中，裝著(zhù)叫做托卡馬克的巨型磁鐵。將氫燃料放入甜甜圈中，此帖被打開(kāi)，內部溫度上升，產(chǎn)生等離子體。等離子體的溫度需要比太陽(yáng)的核心溫度高10倍，中子才能逃離等離子體，然后撞擊在托卡馬克壁上，將這種動(dòng)能轉化為熱量。

　　美國在可控核聚變上走得更早也更快。2020年9月，在《等離子物理學(xué)雜志上》，孵化于美國麻省理工學(xué)院的初創(chuàng )公司Commonwealth Fusion Systems宣布了一項基于可控核聚變的突破，這項研究中，提到了小型化可控核聚變反應堆的新進(jìn)展。研究人員表明，在使用了新型高溫超導材料后，其設計的反應堆能夠達到與國際熱核聚變實(shí)驗堆(ITER)同等級別的性能指標，但體積只有后者的2%。Commonwealth Fusion Systems為可控核聚變領(lǐng)域的商業(yè)化提供了一個(gè)新的可能。

　　米磊投資星環(huán)聚能的時(shí)候，他和團隊在北京交流了兩個(gè)小時(shí)。這是一家商業(yè)聚變能開(kāi)發(fā)企業(yè)，以建成商業(yè)可控聚變堆為目標，專(zhuān)注于小型化、商業(yè)化、快速迭代的可控聚變能裝置的設計、建設、運行和研發(fā)。其技術(shù)源自在球形托卡馬克領(lǐng)域擁有20年經(jīng)驗的清華大學(xué)工程物理系核能所聚變團隊。

　　2022年6月，星環(huán)聚能宣布完成天使輪融資，投資方有中科創(chuàng )星、昆侖資本、順為資本、九合創(chuàng )投等。

　　米磊表示，目前可控核聚變領(lǐng)域在商業(yè)化中所要解決的難題還有很多，對于人類(lèi)控制磁場(chǎng)和控制光波的光子能力提出了很高的要求。如何做出超強穩定的激光器、如何穩定生成超強的磁場(chǎng)，是現在商業(yè)化的難點(diǎn)。

　　

 

 

　　但米磊也表示，對于初創(chuàng )公司來(lái)說(shuō)，可以把技術(shù)拆解來(lái)看，只要在某個(gè)方向實(shí)現技術(shù)突破，就可以申請專(zhuān)利，收取專(zhuān)利費也是一種商業(yè)模式。另一方面就是如果掌握一些技術(shù)或者設備，就能夠衍生出很多上下游的產(chǎn)品和服務(wù)，可以賣(mài)配件、激光器、特種光纖等，還有可能被一些發(fā)電公司并購。

　　如果與半導體最尖端的光刻機的投入相比，米磊表示，在可控核聚變上的投入更大、更難、回報周期可能會(huì )更長(cháng)。他表示，要實(shí)現核聚變的商業(yè)發(fā)電，可能需要20年-30年的時(shí)間，“如果能夠在2050年就實(shí)現，我認為已經(jīng)符合預期了。”米磊說(shuō)。

　　米磊表示，任何一項技術(shù)都有自己的上限，不管是第一次工業(yè)革命的蒸汽機，還是第二次工業(yè)革命的內燃機，都會(huì )受到技術(shù)瓶頸的制約，當人類(lèi)還有特別好用的技術(shù)的時(shí)候，人類(lèi)文明是沒(méi)有那么多動(dòng)力和資源去投入到新技術(shù)的。如今，能源危機之下，動(dòng)力比原來(lái)更足了，實(shí)現商業(yè)化的時(shí)間也將會(huì )壓縮。

　　關(guān)鍵詞 : 核聚變