北京時間12月13日，美國能源部宣布，由美國政府資助的加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室首次成功在核聚變反應(yīng)中實現(xiàn)“凈能量增益”。實驗向目標輸入了2.05 MJ（兆焦）的能量，產(chǎn)生了3.15 MJ的聚變能量輸出，聚變能量增益因子（Q值）達到1.53，持續(xù)時間不到0.0001秒。
核聚變是兩個較輕的原子核發(fā)生聚合作用生成一個更重的原子核和一個極輕的粒子。核聚變通常需要1億度以上的高溫環(huán)境，原子中帶負電的電子和帶正電的原子核已完全脫開，各自獨立運動。兩原子核原本因為都帶正電荷而相互排斥，在此種極端狀態(tài)下克服電荷間的作用力而相互吸引，形成等離子體并碰撞釋放出巨大的能量。
如同1942年芝加哥大學(xué)的網(wǎng)球場上建起了第一座人工核反應(yīng)堆 “馴服” 核裂變一樣，人類社會始終探尋將核聚變從不受控制的氫彈爆炸轉(zhuǎn)變成可控的、源源不斷的商用清潔能源。
在物理學(xué)的認知中，宇宙間所有恒星的能量都起源于兩個氫原子核的聚變反應(yīng)，因此可控核聚變計劃又常常被稱作“人造太陽”。
如果說可控核聚變的理想是宇宙星辰，現(xiàn)實就是光年的距離，每一步都是艱難異常的可行性丈量，至今離終點還很遙遠。
“萊特兄弟時刻”
2021年8月，美國國家點火裝置（NIF）通過激光核聚變實驗創(chuàng)下了輸出能量的歷史最高記錄，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室首席科學(xué)家Omar Hurricane將其稱作 “萊特兄弟時刻”。
事實上，NIF的點火之路始終與質(zhì)疑共存。
證明可控核聚變科學(xué)可行性的第一步就是“Q>1”，即輸出的能量大于維持反應(yīng)所需輸入的能量，核聚變反應(yīng)可以依靠自身產(chǎn)生的能量維持。這一臨界狀態(tài)被稱作收支平衡，也叫“點火”。
對于輸入能量大于輸出能量，NIF團隊重新定義了“科學(xué)收支平衡”——為達到核聚變火所需的高溫高壓條件，點火裝置使用了192束紫外激光轟擊靶標。而激光效率極低，通常只有1% 左右能夠成功轟擊到目標。團隊建議計算Q值時將輸入能量看作激光能量，而非外界供給的總能量，刻意忽略了激光的低命中率。
這一定義目前只適用于NIF的點火實驗，外界普遍存有質(zhì)疑。
根據(jù)介紹，NIF使用的整套激光系統(tǒng)供電需要超過400 MJ。如果嚴格按照收支平衡的界定，實際Q值遠遠小于1。多位業(yè)內(nèi)人士告訴記者，這次激光點火的能量轉(zhuǎn)化效率低、持續(xù)時間短，完全不能滿足發(fā)電站的產(chǎn)能需求。
然而即便是重新定義過的科學(xué)收支平衡，理論意義大于實際意義，首次實現(xiàn)這一成就依然價值非凡。中國工程院院士、“人造太陽”裝置負責(zé)人李建剛告訴界面新聞，“Q>1” 對物理研究十分關(guān)鍵，特別是對NIF一直堅持的激光核聚變路線。
回顧NIF的點火之路，失敗與質(zhì)疑始終盤旋上空。根據(jù)《Nature》獨家調(diào)查報道，NIF項目一直因為耗資巨大、進度與開支嚴重超標、收效甚微而飽受質(zhì)疑。整個項目屢屢受挫，多次面臨生存危機。
NIF由美國能源部下屬管理核武器的國家核安全局（NNSA）負責(zé)運行，最初是作為“庫存管理計劃“的第一部分，在不發(fā)生爆炸的前提下指導(dǎo)管理核武器儲備，服務(wù)于軍事目的。
NIF項目于1997年開工建設(shè)，2009年竣工，比計劃進度落后好幾年。裝置總造價約為35億美元，超支至少24億美元。
按照最初設(shè)想，NIF原計劃要在2012年實現(xiàn)點火，然而現(xiàn)實卻是充滿延宕，不計其數(shù)的聚變反應(yīng)釋放的能量遠遠達不到及格水平。直到2021年8月8日，NIF才創(chuàng)歷史紀錄地釋放出超過1.3 MJ的巨大能量，Q值達到0.7，雖然未達到點火，但已經(jīng)是此前最高記錄的8倍。然而這一結(jié)果轉(zhuǎn)瞬又在可重復(fù)驗證中失敗連連，后續(xù)實驗所獲得的能量最多只能達到峰值的50%。
NIF團隊還曾因為在點火定義上玩弄文字游戲而招致猛烈抨擊。2013年10月，NIF宣布實現(xiàn)了科學(xué)收支平衡，成功點火。如果按照先前定義，此實驗Q值僅為0.0077，但在新聞宣傳中，團隊再次重新定義Q值 ，把輸入能量等同于”燃料最熱部分能量“，1.8 MJ的原始激光能量只有10 KJ被納入計算?！禨cience》發(fā)文直斥其偽，稱所謂核聚變里程碑式突破 “每一步都被夸大”。
無法突破點火，可控核聚變的商用前景全然是空中樓閣。2008年，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室提出LIFE（Laser Inertial Fusion Energy）計劃，開展“全國點火運動”，將NIF正在開發(fā)的激光聚變轉(zhuǎn)化為實用的商業(yè)發(fā)電廠。 該計劃后來承認“無法兌現(xiàn)過度的承諾與營銷”，2013年被正式叫停。
美國科學(xué)聯(lián)盟提出質(zhì)疑，認為圍繞NIF的許多主張都是出于政治因素驅(qū)使，持續(xù)消耗大量資金只是在維持一個昂貴的“大玩具”。根據(jù)《Nature》披露的一份去年提交給國家核安全局的保密評估報告，獨立科學(xué)專家工作組呼吁對NIF做一次根本性的重新評估，并指出該項目在未來幾年內(nèi)不太可能實現(xiàn)“可預(yù)測、可重復(fù)的點火”。
此時點火成功，對NIF來說更像是科學(xué)上的勝利，更像是一次打破質(zhì)疑、恢復(fù)信心的自證。 在國際熱核聚變實驗堆計劃組織（ITER）的祝賀公開信中，總干事Pietro Barabaschi盛贊這次點火為“歷史里程碑”，首次證明了可控核聚變在科學(xué)上的可行性。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室主任Kim Budil評價，追求可控核聚變始終是 “野心勃勃的目標”。 點火只是第一步，卻是“夢想照進現(xiàn)實的第一步”。 從科學(xué)收支平衡跨越到工程收支平衡，乃至未來的商業(yè)收支平衡，NIF還需要攻克點火持續(xù)時間短、可重復(fù)再現(xiàn)、激光效率低等現(xiàn)實難題。
商業(yè)落地的“拖延癥”
目前實現(xiàn)可控核聚變主要有兩種方案，慣性約束核聚變和磁約束核聚變。前者利用超高強度的激光在極短的時間內(nèi)轟擊靶標，代表工程為美國國家點火裝置（NIF）；后者利用強磁場約束帶電粒子的特性，將其約束在一個特殊的磁容器中并加熱至數(shù)億攝氏度高溫實現(xiàn)聚變反應(yīng)，即美國、中國、歐洲多國都在探索的超導(dǎo)托卡馬克路線，代表工程有國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）。
ITER目前是世界上僅次于國際空間站的第二大國際科學(xué)合作工程，締約國包括歐盟、美國、俄羅斯、中國、日本、韓國、印度七個國家和地區(qū)。按照最初的設(shè)計，歐盟貢獻46%，美、日、俄、中、韓、印各貢獻約9%。
中國是2006年正式簽約加入，李建剛是倡議中國參加ITER計劃的重要發(fā)起人，主持完成了國產(chǎn)托卡馬克“東方超環(huán)”（EAST）工程設(shè)計和建設(shè)。他告訴記者，激光慣性約束與超導(dǎo)磁場約束差異極大。不同于NIF的軍事用途，從轉(zhuǎn)化效率、規(guī)模效應(yīng)、穩(wěn)定性等多種要素綜合來看，ITER目前是可控核聚變商業(yè)化最為前沿的主流路線。
兩種路徑起點不同，目標也不盡相同。
NIF服務(wù)于軍事用途的核武器儲藏，將點火作為第一目標，反復(fù)實驗只為“Q>1” 。
托卡馬克工程規(guī)模巨大，能量轉(zhuǎn)化效率遠遠高于激光，一開始瞄準商業(yè)用途的大型聚變堆發(fā)電，主要目標有包括：大功率的凈電力輸出；實現(xiàn)核聚變原料的增殖；驗證建造商業(yè)聚變電站所需要的全部技術(shù)。
因此托卡馬克不只追求點火，還重視持續(xù)時間。 相比于NIF此次點火不足0.0001秒，托卡馬克對穩(wěn)定性的要求遠遠高于前者。按照ITER的目標，目前在建的世界最大托卡馬克裝置會實現(xiàn) 50MW的輸入功率產(chǎn)生500MW的輸出功率，屆時Q值將達到10。
托卡馬克路線至今尚未實現(xiàn)點火，該領(lǐng)域的Q值世界記錄為0.67，為歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）在1997年創(chuàng)造，4秒內(nèi)釋放的21.7MJ的能量。2022年2月9日，JET宣布最新一輪實驗在5秒內(nèi)產(chǎn)生了59MJ的能量。雖然Q值只有0.33，JET負責(zé)人仍表示“5秒已經(jīng)是非常了不起的里程碑”。
JET為目前全球最大的托卡馬克裝置，但也僅僅為ITER的測試前站。歐洲核聚變研發(fā)創(chuàng)新聯(lián)盟最新宣布2023年將會停止JET測試，把相同技術(shù)設(shè)備與模型投入到ITER項目。
經(jīng)過數(shù)代托卡馬克的研究發(fā)現(xiàn)，裝置越大，磁場越強，越容易實現(xiàn)聚變反應(yīng)和獲得聚變能源。按照計劃，ITER將會建成一個超大型的托卡馬克，體積將會是JET的十倍，反應(yīng)釋放能量更是無法同日而語，預(yù)期工程量也會是世界級規(guī)模。
但同NIF一樣，ITER中間也是反復(fù)經(jīng)歷各種進度拖延與開銷超支，幾乎成了“拖延”的代名詞。
ITER從上世紀80年代就發(fā)起立項，原計劃投資50億美元，花10年建成。至今歷時36年，投資累計高達220億美元，ITER仍在建設(shè)階段。過程因為協(xié)約國之間的合作分歧，甚至直到2006年，ITER才正式將總部定在法國，建設(shè)完成時間也由原定的2016年延遲到2029年。
按照時間表，ITER會在本世紀中葉建造商用聚變反應(yīng)堆，能否如期完成仍有極大的不確定性，現(xiàn)在點火成功后的NIF是否會重啟商業(yè)發(fā)電計劃同樣是未知數(shù)。
如同圈內(nèi)自嘲“可控核聚變落地永遠只差50年”，無論是激光點火的慣性約束，還是托卡馬克的磁場約束，目前都沒有“提前交卷”的可能。
民間投資 “不錯過”
在可控核聚變還未商業(yè)化落地之前，風(fēng)險投資與創(chuàng)業(yè)公司已經(jīng)開始搶跑布局。
根據(jù)《Nature》報道，華盛頓特區(qū)代表核聚變行業(yè)的核聚變工業(yè)協(xié)會（FIA）2021年10月做的一項調(diào)查顯示，目前全球共有30多家從事聚變技術(shù)的私營公司。其中已公開籌資情況的18家公司總共獲得了逾24億美元的融資，且?guī)缀跞縼碜悦耖g投資。
目前核聚變創(chuàng)業(yè)公司致力于實現(xiàn)低成本、平價的商業(yè)能源計劃。來自麻省理工學(xué)院的CFS公司走的是磁約束路線，計劃打造首臺實現(xiàn)Q>1的托卡馬克裝置。來自牛津大學(xué)的First Light Fusion走的則是慣性約束路線，計劃通過沖擊波實現(xiàn)點火。
2021年12月，CFS宣布完成了B輪18億美元融資，是目前為止在可控核聚變領(lǐng)域最大的單筆融資，比爾蓋茨、老虎環(huán)球基金、谷歌均有參與。
TAE Technologies，一家位于加州、1998年成立就開始做核聚變能源管理的初創(chuàng)公司，今年8月官宣了一筆2.5億美元的新融資，谷歌、高盛為其投資者，至今已經(jīng)籌集資金超過10億美元。位于華盛頓的一家核聚變發(fā)電公司Helion Energy去年也宣布完成了5億美元的融資，前YC掌門人、OpenAI CEO Sam Altman負責(zé)領(lǐng)投。
歐洲核聚變研發(fā)創(chuàng)新聯(lián)盟的項目管理Tony Donne接受《Nature》采訪時表示，如同商業(yè)航天，商業(yè)核聚變正在海外形成一種公私合力推動的良好勢頭。但目前相對于國家牽頭的科研項目，私營公司仍有巨大的風(fēng)險， “創(chuàng)業(yè)公司說10年內(nèi)就能成功，只不過是為了吸引投資者?！?/p>
國內(nèi)目前主要做可控核聚變的初創(chuàng)公司主要有星環(huán)聚能、能量奇點、新奧聚變。前兩家公司分別在今年收獲了過億元的最新融資，順為資本、聯(lián)想創(chuàng)投、藍馳創(chuàng)投等風(fēng)險投資機構(gòu)均有參與。
民間投資現(xiàn)階段對可控核聚變的投資更多是一種“不錯過”的心態(tài)。
潤土投資創(chuàng)始合伙人魏堅告訴界面新聞，“國內(nèi)能做核聚變商業(yè)化的公司目前仍是個位數(shù)”，全球范圍內(nèi)核聚變商業(yè)化都處在特別早期。國內(nèi)核聚變主要是在2006年中國加入ITER計劃之后，以清華、中科院合肥所、 四川585所為代表政府、高校的研究機構(gòu)為導(dǎo)向開始探索商業(yè)化，2018、2019年開始才出現(xiàn)少量創(chuàng)業(yè)公司。
魏堅認為，像核聚變這一類科研項目，本身還處在理論研究的突破階段，需要10年、甚至20-30年才可能商業(yè)化。大多風(fēng)險投資機構(gòu)，特別人民幣基金，基金策略不支持對其進行長期投資。且不同于新能源行業(yè)，核聚變商業(yè)化領(lǐng)域目前沒有配套的產(chǎn)業(yè)扶持政策，能夠這一時期出手的民間投資主要是占坑思路，敢于在特別早期階段做創(chuàng)新試錯。
參與投資能量奇點的藍馳創(chuàng)投的投資人表示，雖然距離實際應(yīng)用還有很長的路要走，但可控核聚變的想象空間巨大?！叭藗兛倳吖兰夹g(shù)三年內(nèi)的影響力，低估十年后的變化。如果核聚變的確值得期待，許多囿于能耗限制的假設(shè)會被打破，許多產(chǎn)品、服務(wù)與關(guān)系也會重構(gòu)?！?/p>
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