一杯水就能給你家發電，但可能還要等30年

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——首次在核聚變反應中實現了能量的凈收益，即產生的能量比輸入的能量更多。

盡管，這個過程僅持續了不到一秒。白宮科學顧問AratiPrabhakar在美國能源部舉行的新聞發布會上表示，這是一次科學的里程碑事件，是人類通往清潔能源的道路。

如果核聚變能夠投入到商業化發電中，能夠提供一種清潔能源，既沒有化石燃料產生污染，也能夠避免核電站所產生的危險廢物。

只是，這種理想的終極能源，究竟何時方能實現商業化？業內人士預計，要實現核聚變的商用化，至少還需要20年-30年。

人類的終極能源形態

自工業文明誕生以來，人類社會共經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用，讓人類科技發展速度呈指數級上升。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，在康普頓領導的美國芝加哥大學的冶金實驗室里，首次取得了受控制的原子核鏈式裂變反應，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核電站動工建設。

也是在這一年，第一顆氫彈“Mike“在太平洋珊瑚島上被引爆。其能量釋放當量為1000萬噸TNT，這是美國當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能源被人類所使用。

不過，聚變反應的商業化難度要遠遠高于裂變反應。需要說明的是，兩者發生的條件完全不同，通俗來講，核聚變就是小質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，每時每刻都在發生著核聚變反應。其通過引力，對聚變的燃料產生約束，在引力約束下，日核區的氫會不斷發生聚變反應，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。

當聚變反應發生時，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能夠扛得住這個高溫。

顯然，如果從材料學的角度去解決容器問題肯定是行不通的。

1954年，蘇聯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，但在實際應用中，約束等離子體的磁場很不穩定，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”，這個由中科院等離子體所自主設計的磁約束核聚變裝置，曾在去年12月創下了”在1.2億攝氏度下穩定運行101秒“的業界紀錄。但如果想要實現商業化，這個穩定運行的時間單位至少要以天來計算。

東方超環（EAST），圖片來源：視覺中國

可控核聚變另一項技術難點是，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，因此科學家們以Q值衡量核聚變反應的能效比，當數字大于1時，就說明在反應過程中，核聚變產生的能量已經大于投入的能量。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實現了5秒內產生59兆焦耳的持續能量，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LLNL公開的數據，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1的突破。

但無論如何，LLNL邁出了可控核聚變技術探索中的關鍵一步。

實現商業化還需要時間

“這只是可控核聚變的一小步，但確實是人類科技的一大步?！敝锌苿撔莿撌己匣锶嗣桌谡劦酱耸聲r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險投資機構，中科創星選擇在今年開始布局可控核聚變領域，并已經投資了三家國內的初創公司。在米磊看來，國內在可控核聚變的投資上，還處于一個政府主導的時期，現在，VC也已經開始介入了。

一份由核聚變工業協會和英國原子能機構出具的《2021年全球核聚變產業》報告中提及，據不完全統計，截至2020年，全球可控核聚變的私人公司一共有23家。

數據來源：《2021年全球核聚變產業》

在全球可控核聚變公司的目標市場中，主要有發電、航空推進、船舶推進等方面，其中，發電方面的市場最多，占據95.7%。

數據來源：《2021年全球核聚變產業》

實現核聚變的方式有三種，引力約束、慣性約束和磁約束。根據核聚變工業協會的那份報告顯示，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，對帶電的原子核產生洛倫茲力從而進行約束，星環聚能創始人陳銳在一次公開演講中就提及，如果可以長時間穩定地約束聚變的等離子體，就能夠實現可控的核聚變。

國際上的主流做法是建設ITER這種大規模裝置，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，內部溫度上升，產生等離子體。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《等離子物理學雜志上》，孵化于美國麻省理工學院的初創公司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堆的新進展。研究人員表明，在使用了新型高溫超導材料后，其設計的反應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為可控核聚變領域的商業化提供了一個新的可能。

米磊投資星環聚能的時候，他和團隊在北京交流了兩個小時。這是一家商業聚變能開發企業，以建成商業可控聚變堆為目標，專注于小型化、商業化、快速迭代的可控聚變能裝置的設計、建設、運行和研發。其技術源自在球形托卡馬克領域擁有20年經驗的清華大學工程物理系核能所聚變團隊。

2022年6月，星環聚能宣布完成天使輪融資，投資方有中科創星、昆侖資本、順為資本、九合創投等。

米磊表示，目前可控核聚變領域在商業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。如何做出超強穩定的激光器、如何穩定生成超強的磁場，是現在商業化的難點。

但米磊也表示，對于初創公司來說，可以把技術拆解來看，只要在某個方向實現技術突破，就可以申請專利，收取專利費也是一種商業模式。另一方面就是如果掌握一些技術或者設備，就能夠衍生出很多上下游的產品和服務，可以賣配件、激光器、特種光纖等，還有可能被一些發電公司并購。

如果與半導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，要實現核聚變的商業發電，可能需要20年-30年的時間，“如果能夠在2050年就實現，我認為已經符合預期了?！泵桌谡f。

米磊表示，任何一項技術都有自己的上限，不管是第一次工業革命的蒸汽機，還是第二次工業革命的內燃機，都會受到技術瓶頸的制約，當人類還有特別好用的技術的時候，人類文明是沒有那么多動力和資源去投入到新技術的。如今，能源危機之下，動力比原來更足了，實現商業化的時間也將會壓縮。

關鍵詞： 等離子體