北京時(shí)間12月13日，美國(guó)能源部宣布，由美國(guó)政府資助的加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”。實(shí)驗(yàn)向目標(biāo)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(dá)到1.53，持續(xù)時(shí)間不到0.0001秒。

　　核聚變是兩個(gè)較輕的原子核發(fā)生聚合作用生成一個(gè)更重的原子核和一個(gè)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(fù)電的電子和帶正電的原子核已完全脫開(kāi)，各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。兩原子核原本因?yàn)槎紟д姾啥嗷ヅ懦?，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(chǎng)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(huì)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(rèn)知中，宇宙間所有恒星的能量都起源于兩個(gè)氫原子核的聚變反應(yīng)，因此可控核聚變計(jì)劃又常常被稱作“人造太陽(yáng)”。

　　如果說(shuō)可控核聚變的理想是宇宙星辰，現(xiàn)實(shí)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(diǎn)還很遙遠(yuǎn)。                                                             

　　“萊特兄弟時(shí)刻”

　　2021年8月，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）通過(guò)激光核聚變實(shí)驗(yàn)創(chuàng)下了輸出能量的歷史最高記錄，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家Omar Hurricane將其稱作 “萊特兄弟時(shí)刻”。

　　事實(shí)上，NIF的點(diǎn)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(diǎn)火”。

　　對(duì)于輸入能量大于輸出能量，NIF團(tuán)隊(duì)重新定義了“科學(xué)收支平衡”——為達(dá)到核聚變火所需的高溫高壓條件，點(diǎn)火裝置使用了192束紫外激光轟擊靶標(biāo)。而激光效率極低，通常只有1% 左右能夠成功轟擊到目標(biāo)。團(tuán)隊(duì)建議計(jì)算Q值時(shí)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(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，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(guò)400 MJ。如果嚴(yán)格按照收支平衡的界定，實(shí)際Q值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。多位業(yè)內(nèi)人士告訴記者，這次激光點(diǎn)火的能量轉(zhuǎn)化效率低、持續(xù)時(shí)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(guò)的科學(xué)收支平衡，理論意義大于實(shí)際意義，首次實(shí)現(xiàn)這一成就依然價(jià)值非凡。中國(guó)工程院院士、“人造太陽(yáng)”裝置負(fù)責(zé)人李建剛告訴界面新聞，“Q>1” 對(duì)物理研究十分關(guān)鍵，特別是對(duì)NIF一直堅(jiān)持的激光核聚變路線。

　　回顧NIF的點(diǎn)火之路，失敗與質(zhì)疑始終盤(pán)旋上空。根據(jù)《Nature》獨(dú)家調(diào)查報(bào)道，NIF項(xiàng)目一直因?yàn)楹馁Y巨大、進(jìn)度與開(kāi)支嚴(yán)重超標(biāo)、收效甚微而飽受質(zhì)疑。整個(gè)項(xiàng)目屢屢受挫，多次面臨生存危機(jī)。

　　NIF由美國(guó)能源部下屬管理核武器的國(guó)家核安全局（NNSA）負(fù)責(zé)運(yùn)行，最初是作為“庫(kù)存管理計(jì)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(chǔ)備，服務(wù)于軍事目的。

　　NIF項(xiàng)目于1997年開(kāi)工建設(shè)，2009年竣工，比計(jì)劃進(jìn)度落后好幾年。裝置總造價(jià)約為35億美元，超支至少24億美元。

　　按照最初設(shè)想，NIF原計(jì)劃要在2012年實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，然而現(xiàn)實(shí)卻是充滿延宕，不計(jì)其數(shù)的聚變反應(yīng)釋放的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到及格水平。直到2021年8月8日，NIF才創(chuàng)歷史紀(jì)錄地釋放出超過(guò)1.3 MJ的巨大能量，Q值達(dá)到0.7，雖然未達(dá)到點(diǎn)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(yàn)證中失敗連連，后續(xù)實(shí)驗(yàn)所獲得的能量最多只能達(dá)到峰值的50%。

　　NIF團(tuán)隊(duì)還曾因?yàn)樵邳c(diǎn)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(shí)現(xiàn)了科學(xué)收支平衡，成功點(diǎn)火。如果按照先前定義，此實(shí)驗(yàn)Q值僅為0.0077，但在新聞宣傳中，團(tuán)隊(duì)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(jì)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(wú)法突破點(diǎn)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出LIFE（Laser Inertial Fusion Energy）計(jì)劃，開(kāi)展“全國(guó)點(diǎn)火運(yùn)動(dòng)”，將NIF正在開(kāi)發(fā)的激光聚變轉(zhuǎn)化為實(shí)用的商業(yè)發(fā)電廠。 該計(jì)劃后來(lái)承認(rèn)“無(wú)法兌現(xiàn)過(guò)度的承諾與營(yíng)銷(xiāo)”，2013年被正式叫停。

　　美國(guó)科學(xué)聯(lián)盟提出質(zhì)疑，認(rèn)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(gè)昂貴的“大玩具”。根據(jù)《Nature》披露的一份去年提交給國(guó)家核安全局的保密評(píng)估報(bào)告，獨(dú)立科學(xué)專家工作組呼吁對(duì)NIF做一次根本性的重新評(píng)估，并指出該項(xiàng)目在未來(lái)幾年內(nèi)不太可能實(shí)現(xiàn)“可預(yù)測(cè)、可重復(fù)的點(diǎn)火”。

　　此時(shí)點(diǎn)火成功，對(duì)NIF來(lái)說(shuō)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(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃組織（ITER）的祝賀公開(kāi)信中，總干事Pietro Barabaschi盛贊這次點(diǎn)火為“歷史里程碑”，首次證明了可控核聚變?cè)诳茖W(xué)上的可行性。

　　勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任Kim Budil評(píng)價(jià)，追求可控核聚變始終是 “野心勃勃的目標(biāo)”。 點(diǎn)火只是第一步，卻是“夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)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(lái)的商業(yè)收支平衡，NIF還需要攻克點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間短、可重復(fù)再現(xiàn)、激光效率低等現(xiàn)實(shí)難題。 

　　商業(yè)落地的“拖延癥”

　　目前實(shí)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(qiáng)度的激光在極短的時(shí)間內(nèi)轟擊靶標(biāo)，代表工程為美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）；后者利用強(qiáng)磁場(chǎng)約束帶電粒子的特性，將其約束在一個(gè)特殊的磁容器中并加熱至數(shù)億攝氏度高溫實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，即美國(guó)、中國(guó)、歐洲多國(guó)都在探索的超導(dǎo)托卡馬克路線，代表工程有國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER）。 

　　ITER目前是世界上僅次于國(guó)際空間站的第二大國(guó)際科學(xué)合作工程，締約國(guó)包括歐盟、美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、日本、韓國(guó)、印度七個(gè)國(guó)家和地區(qū)。按照最初的設(shè)計(jì)，歐盟貢獻(xiàn)46%，美、日、俄、中、韓、印各貢獻(xiàn)約9%。

　　中國(guó)是2006年正式簽約加入，李建剛是倡議中國(guó)參加ITER計(jì)劃的重要發(fā)起人，主持完成了國(guó)產(chǎn)托卡馬克“東方超環(huán)”（EAST）工程設(shè)計(jì)和建設(shè)。他告訴記者，激光慣性約束與超導(dǎo)磁場(chǎng)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(lái)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(diǎn)不同，目標(biāo)也不盡相同。

　　NIF服務(wù)于軍事用途的核武器儲(chǔ)藏，將點(diǎn)火作為第一目標(biāo)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)只為“Q>1” 。

　　托卡馬克工程規(guī)模巨大，能量轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于激光，一開(kāi)始瞄準(zhǔn)商業(yè)用途的大型聚變堆發(fā)電，主要目標(biāo)有包括：大功率的凈電力輸出；實(shí)現(xiàn)核聚變?cè)系脑鲋常或?yàn)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(diǎn)火，還重視持續(xù)時(shí)間。 相比于NIF此次點(diǎn)火不足0.0001秒，托卡馬克對(duì)穩(wěn)定性的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。按照ITER的目標(biāo)，目前在建的世界最大托卡馬克裝置會(huì)實(shí)現(xiàn) 50MW的輸入功率產(chǎn)生500MW的輸出功率，屆時(shí)Q值將達(dá)到10。

　　托卡馬克路線至今尚未實(shí)現(xiàn)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)在5秒內(nèi)產(chǎn)生了59MJ的能量。雖然Q值只有0.33，JET負(fù)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(cè)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(huì)停止JET測(cè)試，把相同技術(shù)設(shè)備與模型投入到ITER項(xiàng)目。

　　經(jīng)過(guò)數(shù)代托卡馬克的研究發(fā)現(xiàn)，裝置越大，磁場(chǎng)越強(qiáng)，越容易實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)和獲得聚變能源。按照計(jì)劃，ITER將會(huì)建成一個(gè)超大型的托卡馬克，體積將會(huì)是JET的十倍，反應(yīng)釋放能量更是無(wú)法同日而語(yǔ)，預(yù)期工程量也會(huì)是世界級(jí)規(guī)模。

　　但同NIF一樣，ITER中間也是反復(fù)經(jīng)歷各種進(jìn)度拖延與開(kāi)銷(xiāo)超支，幾乎成了“拖延”的代名詞。

　　ITER從上世紀(jì)80年代就發(fā)起立項(xiàng)，原計(jì)劃投資50億美元，花10年建成。至今歷時(shí)36年，投資累計(jì)高達(dá)220億美元，ITER仍在建設(shè)階段。過(guò)程因?yàn)閰f(xié)約國(guó)之間的合作分歧，甚至直到2006年，ITER才正式將總部定在法國(guó)，建設(shè)完成時(shí)間也由原定的2016年延遲到2029年。

　　按照時(shí)間表，ITER會(huì)在本世紀(jì)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(diǎn)火成功后的NIF是否會(huì)重啟商業(yè)發(fā)電計(jì)劃同樣是未知數(shù)。

　　如同圈內(nèi)自嘲“可控核聚變落地永遠(yuǎn)只差50年”，無(wú)論是激光點(diǎn)火的慣性約束，還是托卡馬克的磁場(chǎng)約束，目前都沒(méi)有“提前交卷”的可能。

　　民間投資 “不錯(cuò)過(guò)”

　　在可控核聚變還未商業(yè)化落地之前，風(fēng)險(xiǎn)投資與創(chuàng)業(yè)公司已經(jīng)開(kāi)始搶跑布局。

　　根據(jù)《Nature》報(bào)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(huì)（FIA）2021年10月做的一項(xiàng)調(diào)查顯示，目前全球共有30多家從事聚變技術(shù)的私營(yíng)公司。其中已公開(kāi)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?lái)自民間投資。

　　目前核聚變創(chuàng)業(yè)公司致力于實(shí)現(xiàn)低成本、平價(jià)的商業(yè)能源計(jì)劃。來(lái)自麻省理工學(xué)院的CFS公司走的是磁約束路線，計(jì)劃打造首臺(tái)實(shí)現(xiàn)Q>1的托卡馬克裝置。來(lái)自牛津大學(xué)的First Light Fusion走的則是慣性約束路線，計(jì)劃通過(guò)沖擊波實(shí)現(xiàn)點(diǎn)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(kāi)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(guò)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(mén)人、OpenAI CEO  Sam Altman負(fù)責(zé)領(lǐng)投。

　　歐洲核聚變研發(fā)創(chuàng)新聯(lián)盟的項(xiàng)目管理Tony Donne接受《Nature》采訪時(shí)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(dòng)的良好勢(shì)頭。但目前相對(duì)于國(guó)家牽頭的科研項(xiàng)目，私營(yíng)公司仍有巨大的風(fēng)險(xiǎn)， “創(chuàng)業(yè)公司說(shuō)10年內(nèi)就能成功，只不過(guò)是為了吸引投資者。”

　　國(guó)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(diǎn)、新奧聚變。前兩家公司分別在今年收獲了過(guò)億元的最新融資，順為資本、聯(lián)想創(chuàng)投、藍(lán)馳創(chuàng)投等風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)均有參與。

　　民間投資現(xiàn)階段對(duì)可控核聚變的投資更多是一種“不錯(cuò)過(guò)”的心態(tài)。

　　潤(rùn)土投資創(chuàng)始合伙人魏堅(jiān)告訴界面新聞，“國(guó)內(nèi)能做核聚變商業(yè)化的公司目前仍是個(gè)位數(shù)”，全球范圍內(nèi)核聚變商業(yè)化都處在特別早期。國(guó)內(nèi)核聚變主要是在2006年中國(guó)加入ITER計(jì)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(jī)構(gòu)為導(dǎo)向開(kāi)始探索商業(yè)化，2018、2019年開(kāi)始才出現(xiàn)少量創(chuàng)業(yè)公司。

　　魏堅(jiān)認(rèn)為，像核聚變這一類科研項(xiàng)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(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)，特別人民幣基金，基金策略不支持對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)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(méi)有配套的產(chǎn)業(yè)扶持政策，能夠這一時(shí)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(cuò)。

　　參與投資能量奇點(diǎn)的藍(lán)馳創(chuàng)投的投資人表示，雖然距離實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，但可控核聚變的想象空間巨大。“人們總會(huì)高估技術(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(huì)被打破，許多產(chǎn)品、服務(wù)與關(guān)系也會(huì)重構(gòu)。”

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