出品 | 虎嗅科技組

(資料圖片僅供參考)

作者 | 丸都山陳伊凡

編輯 | 陳伊凡

頭圖 | 視覺中國(guó)

12月13日，位于美國(guó)加利福尼亞洲的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室里，研究人員宣布了一次重大突破——首次在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)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(xù)了不到一秒。白宮科學(xué)顧問(wèn)AratiPrabhakar在美國(guó)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(xiǎn)廢物。

只是，這種理想的終極能源，究竟何時(shí)方能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化？業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)核聚變的商用化，至少還需要20年-30年。

人類的終極能源形態(tài)

自工業(yè)文明誕生以來(lái)，人類社會(huì)共經(jīng)歷兩次重大能源變革：蒸汽與電力。這兩項(xiàng)基于對(duì)化石能源的應(yīng)用，讓人類科技發(fā)展速度呈指數(shù)級(jí)上升。但受限于較高的開采和運(yùn)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(dǎo)的美國(guó)芝加哥大學(xué)的冶金實(shí)驗(yàn)室里，首次取得了受控制的原子核鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，這標(biāo)志著人類正式叩響核能的大門。十年后，人類歷史上的首座商業(yè)核電站動(dòng)工建設(shè)。

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(dāng)量為1000萬(wàn)噸TNT，這是美國(guó)當(dāng)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(duì)它的探索中，他們研究的目標(biāo)只有一個(gè)，如何讓這種能量作為商業(yè)能源被人類所使用。

不過(guò)，聚變反應(yīng)的商業(yè)化難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于裂變反應(yīng)。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)生著核聚變反應(yīng)。其通過(guò)引力，對(duì)聚變的燃料產(chǎn)生約束，在引力約束下，日核區(qū)的氫會(huì)不斷發(fā)生聚變反應(yīng)，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(dāng)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(dāng)聚變反應(yīng)發(fā)生時(shí)，瞬時(shí)溫度可以高達(dá)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(kù)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氣體，然后把氣體電離變成等離子體，再用強(qiáng)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(yīng)用中，約束等離子體的磁場(chǎng)很不穩(wěn)定，這一問(wèn)題至今仍未得到有效解決。

比如目前世界紀(jì)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(shè)計(jì)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(wěn)定運(yùn)行101秒“的業(yè)界紀(jì)錄。但如果想要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，這個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間單位至少要以天來(lái)計(jì)算。

東方超環(huán)（EAST），圖片來(lái)源：視覺中國(guó)

可控核聚變另一項(xiàng)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(yīng)的能效比，當(dāng)數(shù)字大于1時(shí)，就說(shuō)明在反應(yīng)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(yàn)中Q值達(dá)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(yàn)中，JET實(shí)現(xiàn)了5秒內(nèi)產(chǎn)生59兆焦耳的持續(xù)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）公布的成果會(huì)如此令人振奮。

根據(jù)LLNL公開的數(shù)據(jù)，在本次核聚變實(shí)驗(yàn)中，共向目標(biāo)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(dá)到135%。

不過(guò)需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，LLNL聲稱的135%能量收益，是從激光能量輸入來(lái)算的，并未將電能轉(zhuǎn)化未激光過(guò)程中的能量損耗算進(jìn)去，嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)，這并不能算是Q值實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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)是人類科技的一大步?！敝锌苿?chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊談到此事時(shí)難掩激動(dòng)，“我認(rèn)為可控核聚變將是一個(gè)能夠超越瓦特蒸汽機(jī)效用的‘革命性科技’。”作為一家以早期投資為主的風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)，中科創(chuàng)星選擇在今年開始布局可控核聚變領(lǐng)域，并已經(jīng)投資了三家國(guó)內(nèi)的初創(chuàng)公司。在米磊看來(lái)，國(guó)內(nèi)在可控核聚變的投資上，還處于一個(gè)政府主導(dǎo)的時(shí)期，現(xiàn)在，VC也已經(jīng)開始介入了。

一份由核聚變工業(yè)協(xié)會(huì)和英國(guó)原子能機(jī)構(gòu)出具的《2021年全球核聚變產(chǎn)業(yè)》報(bào)告中提及，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020年，全球可控核聚變的私人公司一共有23家。

數(shù)據(jù)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(biāo)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(jù)95.7%。

數(shù)據(jù)來(lái)源：《2021年全球核聚變產(chǎn)業(yè)》

實(shí)現(xiàn)核聚變的方式有三種，引力約束、慣性約束和磁約束。根據(jù)核聚變工業(yè)協(xié)會(huì)的那份報(bào)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(duì)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演講中就提及，如果可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地約束聚變的等離子體，就能夠?qū)崿F(xiàn)可控的核聚變。

國(guó)際上的主流做法是建設(shè)ITER這種大規(guī)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(wěn)妥的道路，但投資金額幾乎要到上千億元。在法國(guó)和英國(guó)的ITER項(xiàng)目里，研究人員通過(guò)一個(gè)巨型甜甜圈形狀的機(jī)器來(lái)嘗試實(shí)現(xiàn)核聚變，這個(gè)甜甜圈中，裝著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，內(nèi)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(zhuǎn)化為熱量。

美國(guó)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(guó)麻省理工學(xué)院的初創(chuàng)公司CommonwealthFusionSystems宣布了一項(xiàng)基于可控核聚變的突破，這項(xiàng)研究中，提到了小型化可控核聚變反應(yīng)堆的新進(jìn)展。研究人員表明，在使用了新型高溫超導(dǎo)材料后，其設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆能夠達(dá)到與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）同等級(jí)別的性能指標(biāo)，但體積只有后者的2%。CommonwealthFusionSystems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(tuán)隊(duì)在北京交流了兩個(gè)小時(shí)。這是一家商業(yè)聚變能開發(fā)企業(yè)，以建成商業(yè)可控聚變堆為目標(biāo)，專注于小型化、商業(yè)化、快速迭代的可控聚變能裝置的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)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(yàn)的清華大學(xué)工程物理系核能所聚變團(tuán)隊(duì)。

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(duì)于人類控制磁場(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(qiáng)穩(wěn)定的激光器、如何穩(wěn)定生成超強(qiáng)的磁場(chǎng)，是現(xiàn)在商業(yè)化的難點(diǎn)。

但米磊也表示，對(duì)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?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破，就可以申請(qǐng)專利，收取專利費(fèi)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(shè)備，就能夠衍生出很多上下游的產(chǎn)品和服務(wù)，可以賣配件、激光器、特種光纖等，還有可能被一些發(fā)電公司并購(gòu)。

如果與半導(dǎo)體最尖端的光刻機(jī)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(bào)周期可能會(huì)更長(zhǎng)。他表示，要實(shí)現(xiàn)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(xiàn)，我認(rèn)為已經(jīng)符合預(yù)期了?！泵桌谡f(shuō)。

米磊表示，任何一項(xiàng)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(jī)，還是第二次工業(yè)革命的內(nèi)燃機(jī)，都會(huì)受到技術(shù)瓶頸的制約，當(dāng)人類還有特別好用的技術(shù)的時(shí)候，人類文明是沒有那么多動(dòng)力和資源去投入到新技術(shù)的。如今，能源危機(jī)之下，動(dòng)力比原來(lái)更足了，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的時(shí)間也將會(huì)壓縮。

關(guān)鍵詞： 等離子體