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2023-01-31
可控核聚變：離風投更近、離現(xiàn)實多遠……還不好說丨TECH TUESDAY
更新時間：2022-08-24 07:08:15作者：未知
去年全球核聚變創(chuàng)業(yè)公司就融了 34 億美元，7 倍于美國政府核聚變研究開支。
文丨賀乾明
編輯丨黃俊杰
1930 年，經(jīng)濟學家約翰·凱恩斯（John Maynard Keynes）刊發(fā)了一篇短文[1]，預言說一百年后，人們不再需要為生計操心，每天只需要工作 3 小時。
盡管前一年爆發(fā)的大蕭條正在碾碎全球經(jīng)濟、納粹被選為德國國會第二大黨，但凱恩斯保持著一貫的樂觀。他認為所有的崩壞都只是發(fā)展的陣痛，預言 19 世紀到 20 世紀不斷爆發(fā)的科學發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明將重塑世界。
現(xiàn)在距離凱恩斯的設想只剩 8 年，沒有哪個國家，普通人可以奢望每周工作 15 小時就過上不錯的生活。
要說科技的進展有哪里讓凱恩斯失望，能源技術(shù)似乎是顯而易見的問題。能源價格正在顯著增加全球的生產(chǎn)、生活成本。西歐天然氣價格漲了 160%，根據(jù)媒體測算 [2]，一個德國四口之家一年的取暖費就漲到了 4048 歐元（約 2.75 萬元人民幣）。而中國正在經(jīng)歷一場多年未見的電力供應短缺，95 號汽油也一度漲到了每升 10 元——開車 10 公里光油費就比外賣費高。
即便不考慮戰(zhàn)爭影響，2021 年全球消耗的電力也比前一年多了 6%。光填補這個缺口，需要世界上的太陽能設備數(shù)量翻一倍，或新建超過 200 個核裂變反應堆，擴大核泄漏的風險。如果用煤炭填補缺口，人類一年得多燒 1.8 億噸煤，向大氣中排放約 5.3 億噸二氧化碳，讓地球變得更燥熱。
如果用可控核聚變，理論上需要的燃料重量只有煤炭的 1/10000000，不會排放二氧化碳，也不會像現(xiàn)在的核裂變發(fā)電站那樣，可能泄漏危害環(huán)境上百年的輻射物質(zhì)。
“當社會需要核聚變技術(shù)的時候，核聚變就能實現(xiàn)。”1950 年代，蘇聯(lián)的核物理科學家列夫·阿爾茨莫維奇（Lev Artsimovich）這么說道。
今天社會顯然需要可控核聚變這樣奇跡般的技術(shù)。能不能實現(xiàn)不好說，但投入這番事業(yè)的人和資本前所未見。
全球現(xiàn)在有 30 多家核聚變創(chuàng)業(yè)公司。據(jù) PitchBook 統(tǒng)計，2021 年全球核聚變創(chuàng)業(yè)公司融了 34 億美元（約合人民幣 230 億元），是同期美國政府核聚變研究預算的近 7 倍，也遠高于美蘇兩國在冷戰(zhàn)期間每年為此投入的經(jīng)費。
出資最多的不再是大國政府，而是富人和風投機構(gòu)。他們希望用更多錢、更高的效率，解更難的題。
在中國，今年連續(xù)出現(xiàn)兩家天使輪融資過億的核聚變創(chuàng)業(yè)公司，一個是清華大學核聚變團隊參與創(chuàng)辦的星環(huán)聚能，6 月從順為、昆侖、險峰、紅杉等 10 多家風投籌集了數(shù)億元，之后就請工人 24 小時三班倒建第一個實驗用的場地。
另一個是能量奇點，今年 2 月，從米哈游、蔚來資本、紅杉和藍馳籌集近 4 億元，現(xiàn)在與中國核工業(yè)西南物理研究院簽了協(xié)議，一起開發(fā)核聚變裝置。
我們還了解到，還有一個新組建的核聚變團隊正拿著商業(yè)計劃書找投資人籌集上億元資金。
投身于此的一些創(chuàng)業(yè)者和投資人相信，美國民營航天的今天，就是可控核聚變的明天，行業(yè)里一定會出現(xiàn) SpaceX。
不過 SpaceX 2002 年成立的時候，距離加加林進入太空 40 多年、阿姆斯特朗登月 30 多年。SpaceX 的大部分進展是以更低成本解決 NASA 解決過的問題。而核聚變是大國政府努力半個多世紀也沒能突破的難題。
原理早已清楚
技術(shù)上怎么實現(xiàn)也在 60 年前就已明晰
早在造出原子彈的曼哈頓工程啟動前，科學家們已經(jīng)掌握了核聚變的原理：兩個輕原子核（比如氘氚）結(jié)合在一起，會釋放巨大能量。
實踐驗證在 1952 年完成，第一顆氫彈在太平洋上的一座美國無人島爆炸，威力相當于投向廣島的原子彈的 500 倍。
問題是，輕原子核都攜帶正電，天然相互排斥。想讓兩個原子核碰撞、結(jié)合，需要合適的條件。首先得以 1 億攝氏度的高溫將它們變成等離子體（液體、固體、氣體之外的物質(zhì)形態(tài)），這樣才能克服斥力、讓原子核結(jié)合在一起產(chǎn)生核聚變。
為了達到這樣的條件，氫彈需要用原子彈來引爆。但要控制核聚變來發(fā)電，只能用更溫和的方式。
已經(jīng)有一些裝置成功將等離子體加熱到 1 億攝氏度以上，但能堅持的時間不長，大多是幾十秒。中國的 “東方超環(huán)”（EAST）去年創(chuàng)造了世界紀錄，等離子體 1.2 億攝氏度運行了 101 秒。
原子核之間的斥力消失后，新的問題會緊跟著出現(xiàn)。等離子體極度不穩(wěn)定，就像不停翻騰的高溫帶電氣體。反應堆需要將等離子體良好地壓縮在一個有限的空間（Plasma Confinement），才可能讓原子核頻繁碰撞、持續(xù)釋放能量。
一位研究了 20 年核聚變的專家對《晚點 LatePost》說，等離子體 “研究起來就是個無底洞”，會發(fā)生許多復雜的物理現(xiàn)象，目前還沒有模型可以精確預測等離子體如何運動，只能想辦法通過外力壓縮它。
持續(xù)最久、目前看著最有希望的還是列夫·阿爾茨莫維奇等人在 1950 年代末發(fā)明的托卡馬克（Tokamak）裝置。
圖：現(xiàn)在最大的托卡馬克裝置 JET 的內(nèi)部構(gòu)造。托卡馬克是 “帶有電磁線圈的環(huán)形真空室”，名字來自環(huán)形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、 線圈（kotushka）這四個俄語單詞的縮寫。來源：JET
原子被送進甜甜圈一樣的真空環(huán)形通道，微波加熱為等離子體。通道的每個方向都被不同形狀的磁性線圈包裹。這些線圈通電后形成磁場，將 1 億攝氏度的等離子體壓縮至一定密度、變成高速螺旋。
如果高溫能維持，等離子體按照設想保持高密度，核聚變就能可控地持續(xù)發(fā)生，一個與現(xiàn)有核電站功率相當、并且?guī)缀鯖]有任何放射性污染風險的超級核電站就誕生了。
自托卡馬克裝置誕生 60 多年來，人造核聚變最長一次只持續(xù)了 5 秒。
超級大國主導核聚變研究
但經(jīng)費隨著冷戰(zhàn)結(jié)束而枯竭
目前地球上最大的托卡馬克裝置是歐洲聯(lián)合環(huán)（JET），由多個歐洲國家出資建造，位于英國，外圈半徑 3 米，真空室高 4 米。它的目標是讓核聚變得 “經(jīng)濟”。
以現(xiàn)有技術(shù)，加熱并控制等離子體需要巨大能量，大到入不敷出。
科學家們以 Q 值指核聚變反應的能效比，大于 1 意味著核聚變產(chǎn)生的能量多于它用掉的。1997 年是 JET 最接近目標的時刻，一次實驗中，Q 值達到 0.67。維持了不到 1 秒，消耗了大約 9 度電的能量，產(chǎn)生了 6 度電的能量——就這還沒算冷卻設備和大部分磁場電源等消耗的能量。
去年底，JET 再次實現(xiàn)了核聚變，把氘氚原子加熱到 1.5 億度，維持了 5 秒。期間的聚變反應，釋放 59 兆焦耳的能量（相當于 16 度電），但 Q 值只剩 0.33。
圖：發(fā)生核聚變時，JET 的內(nèi)部。來源：JET/英國原子能管理局
JET 建成第二年，一個更具野心的計劃被提出。1985 年，剛上任 8 個月蘇共中央總書記戈爾巴喬夫與時任美國總統(tǒng)里根會面，討論如何緩和雙方關(guān)系。期間蘇聯(lián)提出合作開發(fā) “造福全人類” 的核聚變裝置，以減少爭奪能源可能引發(fā)的國際爭端。
這個項目后來成為了 ITER（國際熱核聚變實驗反應堆），一個超大型托卡馬克裝置。整個裝置高約 30 米，相當于十層樓高。等離子體環(huán)的半徑就超過 6 米，是 JET 的兩倍。它的目標是把等離子體加熱到 10 億度，維持 500 秒的核聚變實驗， Q 值達到 10，每小時用 5 萬度電的能量，釋放出 50 萬度電的能量。屆時，可控核聚變距離變成現(xiàn)實近在咫尺。
幾乎所有的核聚變研究者都認為，只要 ITER 能建好并成功運作，核聚變研究就會往前一大步。理論上真空室足夠大，就更容易用磁力控制離子體。而且大真空室的表面積增加比例小于體積變化，ITER 可以實現(xiàn)效率更高的核聚變。
但這個跨越意識形態(tài)的項目誕生沒多久冷戰(zhàn)就結(jié)束了，俄羅斯財力有限、美國政府也在縮減開支 [3]。到 2000 年，美國政府給核聚變研究的撥款只相當于 25 年前的 1/3。
圖：冷戰(zhàn)高峰后，美國政府縮減核聚變研究預算。
多國合作可以分擔成本，但效率也會顯著降低，上億美元的單項預算在絕大多數(shù)國家都需要國會批準。結(jié)果 1985 年的倡議，拖到 2006 年才正式敲定建設方案，啟動項目。參與其中的科學家們預計，建造 ITER 需要 10 年、投入 65 億美元，歐盟出一半。
到 2013 年，容納 ITER 的建筑都沒有開始建，而且各項開支嚴重超標，項目瀕臨死亡。致力于此的科學家們周旋兩年，各國政府才重新達成共識，讓項目持續(xù)下去，但成本預計翻兩番超過 220 億美元，建成時間表往后推 9 年到 2025 年。建成后再過十年，也就是 2035 年，才會進行真正的核聚變實驗——距離最初的設想有 50 年。
圖：正在組裝中的 ITER 托卡馬克裝置。來源：ITER
最近這幾年，ITER 進展本還算順利，進入最后組裝。但今年麻煩又來了，俄羅斯是 ITER 項目的核心參與方之一，負責建造部分磁體。俄烏沖突爆發(fā)后，俄羅斯與歐盟關(guān)系惡化、歐美制裁俄羅斯，這些都可能影響工程進度。
一位核聚變領域創(chuàng)業(yè)者說，從 1950 年代到 1997 年，核聚變研究 “以摩爾定律的速度前進”，之后戛然而止，鮮有實質(zhì)的進展。
2021 年兩筆大額融資
點燃創(chuàng)業(yè)和投資熱情
ITER 項目波折幾十年，讓許多對核聚變抱有希望的人感到疲憊，“距離可控核聚變永遠還有 30 年” 的調(diào)侃在此期間誕生。
大國們推進的時候，私營資本往往不愿意賭這么遙遠且不確定的工程突破。據(jù)美國核聚變工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計 [4]，1998 年到 2008 年，全球只出現(xiàn)了 5 家民營核聚變公司，平均兩年才有一家。
轉(zhuǎn)機在 2021 年。核聚變研究有了新進展、人類也更迫切需要清潔能源，私營資本隨即涌入核聚變。
成立 8 年的核聚變創(chuàng)業(yè)公司 Helion 在 2021 年 6 月宣布把等離子體加熱到 1 億攝氏度，實現(xiàn)了原本只有政府項目才能做到的壯舉。5 個月后，硅谷創(chuàng)業(yè)孵化器 YC 前 CEO 山姆·阿爾特曼（Sam Altman）、PayPal 聯(lián)合創(chuàng)始人彼得·蒂爾（Peter Thiel）等硅谷名流和風投機構(gòu)向 Helion 注資 5 億美元，創(chuàng)下核聚變領域融資紀錄，與美國政府當年給核聚變研究的撥款相當。
這些富人和風投機構(gòu)允諾，如果 Helion 能繼續(xù)突破，比如實現(xiàn)核聚變、Q 值大于 1，他們至少再投 17 億美元。
Helion 的紀錄只持續(xù)了不到 1 個月。去年 11 月底，從麻省理工學院獨立出來 3 年的核聚變創(chuàng)業(yè)公司 Commonwealth Fusion Systems（CFS）宣布拿到超過 18 億美元融資，超過之前所有核聚變創(chuàng)業(yè)公司融資之和，是 Helion 募資額的 3 倍多，出錢的是比爾·蓋茨、喬治·索羅斯、Google、DFJ、Emerson Collective 等 30 個富人、公司或機構(gòu)。
投資者們認為 CFS 的突破是前所未有的。CFS 在去年 9 月和麻省理工學院合作測試了世界上最強的高溫超導磁體，可以產(chǎn)生強度超過 20 特斯拉（T）的磁場，強度是 ITER 磁場的 1.5~2 倍。
提高磁場強度，是做大托卡馬克裝置外，另一種提高 Q 值的方法。磁場更強，限制等離子體的能力就強，核聚變效果也會提升。理論上只建小型的托卡馬克裝置，也能更有效率地產(chǎn)生能量，不再需要像 ITER 那樣，耗費大量材料和時間。
而且 CFS 測試用的高溫超導材料，都是在市面上公開出售的——一部分來自中國的上海超導公司。其他核聚變創(chuàng)業(yè)團隊可以快速跟進。
圖：2021 年，核聚變創(chuàng)業(yè)公司籌集超過 34 億美元資金。
連續(xù)兩輪大額融資，徹底點燃核聚變創(chuàng)業(yè)熱情，過去幾個月出現(xiàn)的創(chuàng)業(yè)公司，比之前任何一個年份都多。中國沒有例外?！锻睃c LatePost》了解到，能量奇點、星環(huán)聚能的創(chuàng)始團隊在 2020 年甚至更早就討論過創(chuàng)業(yè)想法，有的成員此前也接觸過投資人，但直到美國的同行們宣布拿到巨額融資，他們才踏出關(guān)鍵一步，寫商業(yè)計劃書，推進融資。
投資機構(gòu)思路也在變。一些風投機構(gòu)開始招聘物理學博士當投資人，募集投資周期超 10 年的基金，想盡可能提前捕獲有潛力的前沿科技創(chuàng)業(yè)者。
甚至有投資機構(gòu)撰文說，“成功收益遠大于失敗損失” 的核聚變 “天然適合風險投資”。這個當年推動微型計算機、互聯(lián)網(wǎng)走向大眾的行業(yè)，過去幾年一度癡迷于教培和開餐館。
核聚變未來市場空間巨大，可風險極高。中國的投資人們一度無法給創(chuàng)業(yè)公司定下估值。盡管如此，對于投資了上億元的公司，他們也沒有給出什么營收、盈利期待。
至于未來如何退出，一些投資機構(gòu)并不擔心。參投能量奇點的藍馳創(chuàng)投投資總監(jiān)孫登科接受媒體采訪時說，“不太愁回報”，因為他覺得國家大概率會讓這些有發(fā)展前景的創(chuàng)業(yè)公司上科創(chuàng)板。
技術(shù)不會自動前進
“真的要等到 ITER 變成現(xiàn)實嗎？如果它失敗了怎么辦？” 一位核聚變創(chuàng)業(yè)者擔心等到 2035 年 ITER 運行會讓自己再浪費十年，他認為核聚變研究停滯這么久，“依賴 ITER 這個大項目是原因之一”。
相比之下，創(chuàng)業(yè)公司建造一個小型的托卡馬克裝置，不過是兩到三年時間。與 ITER 比，建造周期可以縮短到 1/10。而且不需要一次投入 200 多億美元，只需要數(shù)億美元就可能驗證成敗。
這一批獲得融資的公司正嘗試以不同的方法實現(xiàn)核聚變。
圖：CFS 設想的小型托卡馬克裝置。來源：CFS
圖：Tokamak Energy 能源的球形托卡馬克裝置。來源：Tokamak Energy
圖：Helical Fusion 設想的核聚變裝置。來源：Helical Fusion
圖：TAE Technology 正在建設的核聚變裝置。來源：TAE Technology
圖：First Light Fusion 實現(xiàn)核聚變的裝置 BFG。來源：First Light Fusion
圖：General Fusion 正在英國建設的裝置。來源：General Fusion
圖：Helion Energy 設想的核聚變裝置。來源：Helion Energy
相比 ITER 一建就是 20 多年，這些年涌向核聚變的創(chuàng)業(yè)公司，幾乎都拿出了更激進的時間表—— 2030 年代核聚變商業(yè)發(fā)電，距離現(xiàn)在最多還剩 17 年。
托馬斯 · 克林格（Thomas Klinger）是馬克斯普朗克等離子體物理研究所的核聚變專家，有 30 多年研究經(jīng)驗?？肆指癖救藢ν苿雍司圩兂錆M信心，但他也覺得 [5]，創(chuàng)業(yè)公司設定較短目標，是因為必須滿足利益相關(guān)者的要求，并不意味著能夠如期實現(xiàn)目標。
可控核聚變成為創(chuàng)業(yè)項目，并沒有離現(xiàn)實更近，它們大多處于早期階段，還在建裝置，測試方案是否可行，然后再探索 Q 值大于 1 的路。
盡管路途遙遠、前景不明，但巨大的經(jīng)濟誘惑吸引了更多人參與其中——這是任何技術(shù)進步的前提條件。
2017 年 3 月，SpaceX 用實際行動證明回收的火箭可以重復發(fā)射，大幅削減發(fā)射火箭成本。一家私營航天公司做到了諸多大國宇航機構(gòu)都沒達成的突破。
“1969 年，人類去了月球。然后我們有了航天飛機，只能把人送到低軌道。然后航天飛機也退休了?！?回收成功一個月后，SpaceX 創(chuàng)始人伊隆·馬斯克在 TED 大會上說 [6]，“人們有個錯誤的觀念：技術(shù)自己就會前進。技術(shù)是不會自動前進，甚至經(jīng)常退化。只有很多人一起努力才能讓它變好。”
很多技術(shù)和工程難題并不會因為足夠的投入迅速成真，比如 100 年前愛迪生普及電動汽車的野心。但不投入，也很難知道一件事究竟能不能成功。