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

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驗室里，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，這個過程僅持續(xù)了不到一秒。白宮科學(xué)顧問AratiPrabhakar在美國能源部舉行的新聞發(fā)布會上表示，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)生的危險廢物。

只是，這種理想的終極能源，究竟何時方能實現(xiàn)商業(yè)化？業(yè)內(nèi)人士預(yù)計，要實現(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，人類社會共經(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(yīng)用，讓人類科技發(fā)展速度呈指數(shù)級上升。但受限于較高的開采和運輸成本，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(dǎo)的美國芝加哥大學(xué)的冶金實驗室里，首次取得了受控制的原子核鏈式裂變反應(yīng)，這標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1000萬噸TNT，這是美國當(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它的探索中，他們研究的目標只有一個，如何讓這種能量作為商業(yè)能源被人類所使用。

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

太陽中，每時每刻都在發(fā)生著核聚變反應(yīng)。其通過引力，對聚變的燃料產(chǎn)生約束，在引力約束下，日核區(qū)的氫會不斷發(fā)生聚變反應(yīng)，從而釋放出巨大的能量。

千萬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，瞬時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，必須有一個容器能夠承受如此高的溫度，但沒有任何一個地球上的物質(zhì)能夠扛得住這個高溫。

顯然，如果從材料學(xué)的角度去解決容器問題肯定是行不通的。

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”，簡單的說，該裝置其實就是在一個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，再用強磁場把帶電粒子控制住，讓它在真空容器里面懸浮起來。

雖然托卡馬克裝置耐高溫，但在實際應(yīng)用中，約束等離子體的磁場很不穩(wěn)定，這一問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)”，這個由中科院等離子體所自主設(shè)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(wěn)定運行101秒“的業(yè)界紀錄。但如果想要實現(xiàn)商業(yè)化，這個穩(wěn)定運行的時間單位至少要以天來計算。

東方超環(huán)（EAST），圖片來源：視覺中國

可控核聚變另一項技術(shù)難點是，如何解決能量增益Q值大于1的問題。由于等離子體在加入過程中能量會不斷損失，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，就說明在反應(yīng)過程中，核聚變產(chǎn)生的能量已經(jīng)大于投入的能量。如果這個前提無法滿足，則可控核聚變的商用化無從談起。

1997年，全球最大的托卡馬克裝置（JET）在一次實驗中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月的一次實驗中，JET實現(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家實驗室（LLNL）公布的成果會如此令人振奮。

根據(jù)LLNL公開的數(shù)據(jù)，在本次核聚變實驗中，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%。

不過需要說明的一點是，LLNL聲稱的135%能量收益，是從激光能量輸入來算的，并未將電能轉(zhuǎn)化未激光過程中的能量損耗算進去，嚴格意義來說，這并不能算是Q值實現(xiàn)1的突破。

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

實現(xiàn)商業(yè)化還需要時間

“這只是可控核聚變的一小步，但確實是人類科技的一大步。”中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊談到此事時難掩激動，“我認為可控核聚變將是一個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(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)投資了三家國內(nèi)的初創(chuàng)公司。在米磊看來，國內(nèi)在可控核聚變的投資上，還處于一個政府主導(dǎo)的時期，現(xiàn)在，VC也已經(jīng)開始介入了。

一份由核聚變工業(yè)協(xié)會和英國原子能機構(gòu)出具的《2021年全球核聚變產(chǎn)業(yè)》報告中提及，據(jù)不完全統(tǒng)計，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中，主要有發(fā)電、航空推進、船舶推進等方面，其中，發(fā)電方面的市場最多，占據(jù)95.7%。

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

實現(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，通過磁場，對帶電的原子核產(chǎn)生洛倫茲力從而進行約束，星環(huán)聚能創(chuàng)始人陳銳在一次公開演講中就提及，如果可以長時間穩(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。

國際上的主流做法是建設(shè)ITER這種大規(guī)模裝置，通過更大尺寸來提高聚變堆的功率。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。在法國和英國的ITER項目里，研究人員通過一個巨型甜甜圈形狀的機器來嘗試實現(xiàn)核聚變，這個甜甜圈中，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，將這種動能轉(zhuǎn)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CommonwealthFusionSystems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(yīng)堆的新進展。研究人員表明，在使用了新型高溫超導(dǎo)材料后，其設(shè)計的反應(yīng)堆能夠達到與國際熱核聚變實驗堆（ITER）同等級別的性能指標，但體積只有后者的2%。CommonwealthFusionSystems為可控核聚變領(lǐng)域的商業(yè)化提供了一個新的可能。

米磊投資星環(huán)聚能的時候，他和團隊在北京交流了兩個小時。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，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、建設(shè)、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，對于人類控制磁場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(wěn)定的激光器、如何穩(wěn)定生成超強的磁場，是現(xiàn)在商業(yè)化的難點。

但米磊也表示，對于初創(chuàng)公司來說，可以把技術(shù)拆解來看，只要在某個方向?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破，就可以申請專利，收取專利費也是一種商業(yè)模式。另一方面就是如果掌握一些技術(shù)或者設(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。

如果與半導(dǎo)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、回報周期可能會更長。他表示，要實現(xiàn)核聚變的商業(yè)發(fā)電，可能需要20年-30年的時間，“如果能夠在2050年就實現(xiàn)，我認為已經(jīng)符合預(yù)期了。”米磊說。

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(nèi)燃機，都會受到技術(shù)瓶頸的制約，當(dāng)人類還有特別好用的技術(shù)的時候，人類文明是沒有那么多動力和資源去投入到新技術(shù)的。如今，能源危機之下，動力比原來更足了，實現(xiàn)商業(yè)化的時間也將會壓縮。

關(guān)鍵詞： 等離子體