中美“激战”核聚变- 大数跨境

导读

THECAPITAL

2022年，全球资本在这一领域投资数额比2021年（报告时间）增长139%，过去一年投资近200亿元人民币。核聚变的“SpaceX时刻”正在到来。

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作者 | 林志佳

来源 | 钛媒体

美国科学家在被誉为“人造太阳”的核聚变能源领域，取得重大科学技术突破，使我们离近乎无限清洁能源的潜在来源又近了一步。

北京时间12月13日23点，美国能源部和美国国家核安全局（NNSA) 联合宣布，加州劳伦斯利佛摩国家实验室（LLNL）科学家采用“惯性约束聚变”方法，即用世界上最大的激光撞击一个微小的氢等离子体颗粒，使用实验性质的核聚变反应炉，在过去两周的一次可控聚变实验中实现聚变点火，获得了“净能量增益”（Net Energy Gain）（Q＞1）。

美国能源部表示，本次国家点火装置（NIF）通过192束激光器，将超过200万焦耳的紫外线能量传送到一个微小的燃料颗粒，以产生聚变点火，实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，产生的能量比投入的能量多50%以上。

据媒体报道，整个实验设施耗资35亿美元，最新实验数据分析仍在进行中。

这一技术成果有三大里程碑式突破：首次证明了惯性聚变能 (IFE) 的基础科学能力；美国正朝着核聚变发电厂建造，以及无限、零碳能源的目标迈出了关键一步；有望应对世界能源价格高企和迅速减少化石燃料燃烧的需求。

“这是伟大的一天，这项成就将载入史册，”美国能源部长格兰霍姆（Jennifer Granholm）表示，这是一项具有里程碑意义的成就。NIF研究人员和工作人员让聚变点火成为现实，无疑将激发更多发现。她还指出，这一研究工作将帮助我们解决人类最复杂和最紧迫的问题，比如提供清洁能源来应对气候变化，以及在没有核武器的情况下维持核威慑力测试。

“这次美国的点火装置实现了输出大于输入，因输出有聚变能，输入的是激光能量。实验成功的标志就是出大于入。所以，这次是一个进展，他们要发布的就是这个。但离商用能源还远，主要因为总的效率太低，他们肯定拿能源说事。”一位资深核物理学家如此评价，“中国也在做类似工作，目前进展全球范围中美领先，应该说是美国走在我们前面。”

实际上，相较于美国，中国在可控核聚变方面已多方位布局，实现了世界领跑。今年10月，中国“人造太阳”装置的等离子体电流突破100万安培，创造新纪录；国内多家核聚变研究的民营企业今年获得了风投机构的青睐，红杉中国、蓝驰创投、中科创星、蔚来资本、联想之星等机构早已跑步进场。

作为全球最重要的两大经济体，在未来净核聚变、零碳共同目标下，中国和美国正就“可控核聚变”领域展开技术创新竞争。过去这一年，中美等全球资本向这一领域投资也已接近200亿元，较上一年比增长了139%。

投资超1300亿

研究核聚变的作用是什么？

实际上，随着化石能源日渐稀缺，以及降低温室气体排放等碳中和碳达峰目标，利用核反应产生能量的核能和平开发利用逐渐受到重视。

据国际原子能机构给出的定义，“核聚变”是模仿太阳的原理，使两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。核聚变产生的能量非常大——是核裂变反应的四倍。

理论上，只要有几克反应物，就有可能产生一太（万亿）焦耳——这大约是发达国家的一个人在60年内所需要的能量。

（图片来源：国际原子能机构）

尽管许多科学家认为核聚变发电站还需要几十年的时间，但这项技术的潜力不容忽视。

与化石能源相比，核聚变反应不排放二氧化碳。而与目前广泛应用的核能（核裂变）相比，核聚变不会产生核废料，辐射也极少，理论上可以至少为一所房子提供数百年的电力。

核聚变是大自然最普遍的能量来源。一旦能够实现可控的核聚变，人类将获得几十亿年取之不尽的能源，其重要性不言而喻。因此，核聚变技术被视为清洁能源的“圣杯”。

自20世纪50年代以来，物理学家一直试图利用为太阳提供动力的核聚变反应，但没有一个小组能够从核聚变反应中产生比其消耗更多的能量。

过去的几十年里，热核聚变研究形成了两大技术分支：一是磁约束聚变，主攻方向是托卡马克装置，比如中国的东方超环 (EAST) 、国际热核聚变实验堆(ITER)等装置；另一研究分支是惯性约束聚变，包括激光聚变、轻重离子束聚变及其它装置。

1985年，作为结束冷战的标志性行动之一，时任美国总统里根和苏联领导人戈尔巴乔夫在瑞士日内瓦峰会上倡议，由美国、苏联、欧洲、日本共同启动ITER计划，以携起手来探索人类未来核能和平利用。

2001年11月，ITER计划实施的谈判开始，中国也开始与三方接触。2003年，中国和韩国加入该计划。

直到2006年11月，ITER计划的投资方国家才最终确定——中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共七方联合投资建造，计划2025年实现第一次等离子体放电。而2020年8月，ITER聚变设施的组装启动仪式正式在法国举行。

截至目前，ITER计划是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一，目的是通过建造反应堆级核聚变装置，验证和平利用核聚变发电的科学和工程技术可行性。

在高达180亿欧元（约合1324.34亿元人民币）的项目总投入中，欧盟作为东道主出资45%，美国、中国、日本、俄罗斯、印度和韩国各出资9%。

根据规划，ITER的工厂将产生大约500兆瓦的热能，如果持续运行并与电网相连，这将转化为大约200兆瓦的电力，足以供应大约20万个家庭。最终目标是要建造一个可自持燃烧（即“点火”）的托卡马克核聚变实验堆，以便对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工程问题作深入探索。

ITER结构图（图片来源：券商研究报告）

ITER装置运行与发展大体分为三个阶段：

第一阶段：主要目标是建设一个氘、氚燃烧能产生5×105 kW聚变功率、聚变增益系数Q=10、脉冲维持大于400s的托卡马克聚变堆，将产生与未来商用聚变反应堆相近的氘、氚燃烧等离子体，供科学家和工程师研究其性质和控制方法；
第二阶段：将探索实现稳态高约束、高性能“先进燃烧等离子体”，聚变增益系数Q=5、脉冲维持大于3000s，从而更快建造托卡马克型商用聚变堆。
第三阶段：探索实现高增益的燃烧等离子体，接近商用聚变堆的建造目标；以及包括进一步研究和发展能直接用于商用聚变堆的相关技术。

据媒体报道，美国、印度近几年已经不再向ITER计划投资，只给了国内采购包的经费，普遍预计这一设施进展将被推迟。目前，ITER计划已汇集了全球35个国家力量，这些国家占世界人口的60%以上，占全球国内生产总值的80%以上。

美国计划2035年建造核聚变发电厂

尽管ITER计划已经囊括全球大部分国家和机构，地球上的很多人都能在其中获得未来无限能源分享。但是，有实力的发达国家和发展中国家都希望在这场“核聚变竞争”中获得技术领先，因此，美国等50多个国家开始单独开展核聚变和等离子体物理相关技术研究。

根据国际原子能机构公布的数据显示，目前全球在运营的核聚变装置有96座，在建的核聚变装置有11座，计划建设的装置则有29座。其中，公共事业机构旗下的核聚变装置总数为107座，装置数量排名前五的国家分别是：美国、日本、俄罗斯、中国和英国。

最近两年，作为核聚变装置总量最多的国家，美国开始重视核聚变工程的发展，并公布了路线图计划。

2021年，美国国家科学院、工程和医学院联合发布一份93页的报告《将核聚变引入美国电网》，称美国将在2035-2040年建造可运行的核聚变发电厂，并表示到2050年，美国电力公司将全面向零碳发电进行转变。

美国聚变试验工厂的开发和运行路线图（来源：报告）

为了更好贯彻这份计划，去年8月，美国政府LLNL团队宣布产生1.37兆焦耳的能量，是世界上最接近净能量增益的一次，打破纪录。

今年早些时候的一场白宫核聚变能源战略发布会上，两党核聚变能源核心小组主席、国会议员唐·拜尔（Don Beyer）说出了美国要发展核聚变的原因：“自火发明以来，核聚变比其他任何发明都更有潜力使世界上更多的公民摆脱贫困。”

针对此次试验，据英国《金融时报》，LLNL的国家点火装置（NIF）在最近两周一项使用激光的惯性约束聚变实验中取得了重大突破，首次实现了聚变反应的净能量增益，即Q大于1。报道称，这项实验的聚变反应产生了大量能量，由于高于预期的能量输出损坏了一些诊断设备，后续分析变得复杂。

美国白宫科技政策办公室主任阿拉蒂·普拉巴卡（Arati Prabhakar）表示：“一个多世纪以来，我们对核聚变有了理论上的了解，但从了解到实践的过程可能是漫长而艰巨的。今天的里程碑表明，我们可以坚持不懈（发力核聚变技术）。”

伦敦帝国理工学院惯性聚变研究中心联合主任Jeremy Chittenden对此评价称，“这是一个真正的突破性时刻，非常令人兴奋”。不过他也表示，尽管从核聚变中获得净能量是一件大事，但与为电网供电和为建筑物供暖所需的能量相比，它的规模要小得多，距离真正的无限能源时间还比较长。

“这相当于烧开10壶水。为了把它变成一个发电站，我们需要获得非常多的能源。”Chittenden表示。

等离子体物理学家Arthur Turrell博士则表示，人类将见证一个历史时刻。“自20世纪50年代以来，科学家们一直在努力证明核聚变可以释放比投入更多的能量，而劳伦斯利弗莫尔的研究人员似乎终于彻底打破了这个几十年的目标。”

不过，这份研究成果在多家媒体报道之后，在业内的质疑声不断。一个阅读量达553万的相关知乎问答下，多数答主认为，美国政府对该研究的技术成果有所夸大，实际进展不如预期，很难实现商用等。

知乎答主@physixfan表示，此次公布的净能量增益（Q＞1）是指聚变产生的中子的能量除以输入的激光的能量之比；而并非输出电能到输入电能之比，其中存在能量增益的夸大，两者能量增益差125倍之多。如果从电能开始算起，而不是从激光能量开始算起，那么NIF实现的能量增益也就0.008而已，并非大于1。他还强调，NIF作为惯性约束聚变的实验装置很难再把成绩提高。

另一位知乎答主@赵冷认为，按照NIF激光器的实际效率和热机将聚变放出的热转换为有用功的效率，不计其他问题，这装置现在的状态不可能对外净输电。“装置内部充电本身也有损耗，实际能耗更大”，所以他认为整个实验成果有存在夸大，进展并不如媒体报道的那样高。

而知乎答主指出，整个系统的输入能量大于400兆焦，输出能量小于1兆焦，远没达到系统能量正增益的平点。知乎用户@Quantum1024 则认为，这一实验所做的惯性约束路线主要的发展还是军事用途，而非商用。

设计师对2050年核聚变反应堆的渲染图

（来源：AL_A for General Fusion）

实际上，相较于核裂变，核聚变虽有众多优点，但目前仍处于研究第一阶段。要提高产能，扩大商业化、普及化，多数专家认为，最快恐怕得等到2050年。

一年投资近200亿

全球VC奔向“人类终极能源”

中国也正在大力研究可控核聚变技术。

上世纪80年代，中国制定了“三步走”——热堆、快堆、聚变堆的核能发展战略，随后加入ITER，进一步推动中国聚变能源研究进入国际阵营，主要为建成中国自己的核聚变反应堆做准备。

科技部核聚变中心副主任王敏曾表示，通过参加ITER计划，中国无论是在聚变技术上还是国际大科学工程管理上都有大幅度提升。可以说，在ITER七方中，中国是进步最快、加速度最大的一方。

与此同时，1960年开始，中国以“托卡马克”为主要研究途径，利用此技术先后建成并运行三大聚变反应堆：华中科技大学的J-TEXT装置、核工业西南物理研究院的HL-2M装置和中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所、素有“人造太阳”之称的EAST全超导托卡马克装置（东方超环），向ITER提供结果。

2020年12月，中国新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置（HL-2M）在四川成都的核工业西南物理研究院正式建成并实现首次放电；
2021年12月，中国“人造太阳”EAST成功实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，成为世界上托卡马克装置实现的最长时间高温等离子体运行，打破世界纪录；
2022年10月，中国宣布HL-2M装置的等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造可控核聚变装置运行新纪录，让中国核聚变研究实现从跟跑、并跑到领跑的跨越。

根据规划，中国以现有中、大型托卡马克装置为依托，瞄准国际核聚变前沿课题研究，其在磁约束聚变领域建立了近期、中期和远期技术目标：最终到2050年，中国或将发展聚变电站，探索聚变商用电站的工程、安全、经济性。

中国“人造太阳”装置负责人、中科院合肥物质科学研究院副院长李建刚表示，中国如果从2040年开始建聚变电站，每年建10个，2050年以后一年建20个，到本世纪末就能建1000个，由此可以减少85亿吨二氧化碳排放，再加上15%可再生能源，“就可以不用烧煤，也不用担心能源安全。”

从历史上看，核聚变能源领域的研究一直是由政府主导、大型公共资助的实验室完成，比如牛津大学的欧洲联合环状反应炉、美国LLNL实验室等。但近年来，随着硬科技投资趋势热潮来临，以及中国对新能源的高度重视，一批商业资本、风险投资开始涌入了核聚变能源的民营公司。

谷歌、高盛、盖茨基金会、红杉中国、蓝驰创投、中科创星、顺为资本、和玉资本、险峰长青、联想之星等国内外机构都已经在这一领域布局。

今年2月，探索可商业化聚变能源技术企业“能量奇点”宣布完成近4亿元人民币的首轮融资，米哈游和蔚来资本领投，红杉中国种子基金和蓝驰创投跟投；今年6月，仅成立一年的商业聚变能研发公司“星环聚能”宣布完成数亿元天使轮融资，中科创星等10家知名机构参与投资。

“从大环境来讲，很多欧美国家都在关注核聚变，并且在核聚变领域取得了突破性进展。而传统方式需要大量专家团队和费用上的投入。能量奇点团队利用了新的技术变革去加速这方面的研发。团队具有强大的人才技术背景与沉淀，通过使用AI和超导材料加速研发的进度，而且成本也在很大程度上得到削减。”蓝驰创投投资总监孙登科告诉钛媒体App，对于投资机构来说，如果该核聚变公司的技术能够造一个太阳，其想象空间是巨大的。

但据统计观察，中国资本近年布局的规模，跟全球资本统计数据比起来，占有率依然是凤毛麟角。

根据核聚变工业协会（Fusion Industry Association）公布的数据，在截至2022年6月底的12个月里，全球核聚变公司筹集了28.3亿美元（约合195.37亿元），接近200亿元投资，使民营企业迄今的投资总额达到近49亿美元（约合341.9亿元）。2022年，资本在这一领域投资数额比2021年（报告时间）增长139%。

统计的可控核聚变初创公司的成立时间信息

加拿大核聚变公司通用聚变 (General Fusion）的首席执行官Chris Mowry曾直言，“聚变行业的SpaceX时刻”已经到来。据悉，该公司计划于2025年开始运营，目标是在2030年代初期出售反应堆，希望完成商用产品交付。

多家国外核聚变公司对英国《自然》（Nature）杂志表示，这一技术迟早会被破解，实用的核聚变似乎一定浮出水面。“公司开始在政府可以建造的水平上展开商用。在不到十年的时间内实现这一目标的机会非常大。”

仅2022年，全球核聚变民营企业数量达到33家，其中有6家公司的融资额超过了2亿美元。

不过，有多位业内专家警告，目前核聚变依然存在标准化工作、资本支持、自主技术的商业化应用等问题亟待解决。

首先是标准化工作。今年8月，中国核工业集团旗下智库——中核战略规划研究总院有限公司、核工业标准化研究所工程师团队在《标准科学》期刊上发文指出，新形势下，中国核聚变标准化工作仍面临系统布局谋划不足，缺乏顶层设计和整体规划；项目与标准化工作联动不够，技术转化标准速度慢；平台优势利用程度不足，国际化交流深度不够；标准化文化建设不足，人才队伍培育机制不完善等问题。

其次是资本支持。相对于物理机制研究，目前可控核聚变大型实验装置需要大量资金，而政府资金支持不够是民营企业面临的重大挑战。事实上，美国对于聚变的经费投入在过去几十年来基本维持不变，通胀调整后呈现逐年递减。而本来最有希望的ITER项目，则由于国际合作龃龉以及工程一再延期，给这一行业未来蒙上阴影。

核工业标准化研究所团队在论文中建议，中国应聚焦核聚变领域发展需求，完善核聚变标准化顶层设计，加强重大科技项目与标准化工作联动机制，加强国际交流，积极开创核聚变国际标准化工作，探索标准成果转化和应用示范，加强标准化人才队伍建设等。

“中国的聚变能发展路线图已初见端倪，核聚变标准作为中国早日实现独立自主大规模建设聚变电站的技术储备，仍需不断深化和发展。”上述团队强调，中国科技创新实力正不断飞跃与突破。