核聚变“点火”再成功：我们何时能掌控它？
核聚变反应无需燃烧化石燃料，可实现零碳排放，也不产生长寿命的放射性废物，因此被称为世界清洁安全的能源之一。此外，核聚变能燃料储量丰富，海水中含有大量的核聚变燃料氢的同位素氘。由于清洁、安全、资源无限，核聚变或将成为人类解决能源问题的终极方案。
自20世纪50年代以来，物理学家们一直试图利用为太阳提供能量的核聚变反应，但直到去年12月，还没有任何研究小组能够从该反应中实现“净能量增益”。
去年12月13日，美国能源部部长和加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家们共同宣布，首次成功在可控核聚变反应中“点火”，即在聚变反应产生的能量大于促发该反应的能量，实现“净能量增益”。该实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，能量增益达到153%。
美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆称，这项“21世纪令人印象深刻的科技壮举之一”为人类提供核聚变商业化的可能性，未来有望成为人类摆脱化石能源的束缚、获得零排放能源道路的里程碑。
此后，劳伦斯利弗莫尔实验室进行了一系列测试，但都未能完全实现点火。今年6月时，一次实验实现了能量的盈亏平衡。
直到7月30日，研究人员才在实验中再次实现了聚变点火。根据《金融时报》8月6日消息，据三位了解初步结果的人士透露，劳伦斯利弗莫尔国家实验室在此次实验中再次实现了聚变点火，产生了去年比12月更高的能量输出。
该实验室证实其激光设施再次实现了能量增益，两名了解初步结果的人士表示，7月份实验的初步数据显示能量输出超过3.5兆焦耳，超过了去年12月的3.15兆焦耳，这些能量大约足以为家用熨斗供电一个小时。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室发言人表示，研究人员正在对结果进行分析，并将在随后即将召开的科学会议和同行评审出版物中报告这些结果。
什么是核聚变？
核聚变反应与太阳和其他恒星释放能量的原理相同，因此被科学界称为“小太阳”，也被喻为能源领域的“圣杯”（holy grail）。具体来说，就是两个较轻的原子（例如氘和氚）结合成较重的原子核（例如氦）和一个很轻的核（或粒子）的一种核反应形式，在这个过程中会释放出巨大的能量。
图说：核聚变如何进行，来源：BBC
氢弹就是一种不可控的核聚变，会产生恐怖的破坏力，想通过核聚变产生人类可用的能源，就必须要实现可控核聚变。目前主要有三种形式的可控核聚变：重力场约束核聚变，激光惯性约束核聚变和磁约束核聚变，其中后两种形式为主流。
惯性约束聚变（ICF）是实现受控核聚变的途径之一， 它是通过内爆对热核燃料进行压缩， 使其达到高温高密度，在内爆运动过程中惯性约束下实验热核点火和燃烧，从而获取聚变能的方法。激光聚变是用激光作为驱动源的，因而也称为激光约束聚变。此次，劳伦斯利弗莫尔国家实验室宣布取得新突破的国家点火装置（NIF）就是其采用“惯性约束路线”制造的，总共耗费35亿美元，是世界上最大的激光器。
图说：惯性约束聚变，来源：金融时报、中国日报
核聚变的另一个技术路线是磁约束聚变，也称为“托卡马克核聚变”。磁约束核聚变，就是用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。
图说：磁约束托卡马克装置结构示意图，来源：IAEA、中信证券研究部
该路线的主攻方向之一是采用托卡马克（Tokamak）装置。这是一种环形容器，用磁场形成一个“磁笼”将等离子体束缚住，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，实现受控核聚变。除了托卡马克反应堆，仿星器也是一种磁约束装置，不过仿星器在等离子体的密度与温度上比托卡马克相比有不小的差距，所以仿星器并没有成为主流。
全球研究情况如何？
世界科技领先国家和地区已重视起可控核聚变对人类的战略意义，均为可控核聚变的研究投入了大量人力物力，也获得了一系列重要成果。根据国际原子能机构数据，截至2022年年底，全世界约有130个国有或私营实验性聚变装置，其中90个正在运行，12个在建，28个处于计划中。欧盟、美国、中国在核聚变研究中各有所长，相较而言，托卡马克技术比“惯性约束聚变”的技术应用更加广泛。
1. 欧盟：最早攻克大型托卡马克装置，领头开发其它概念的磁约束装置
图说：欧洲联合环状反应堆和德国ASDEX-U装置360度示意，来源：EUROfusion、ITER、海通国际
1984年，由欧洲多国共同合作建造的欧洲联合环状反应堆（JointEuropean Torus，JET）宣布建成。根据维基百科，JET成为当时世界上最大的托卡马克聚变装置，目前仍保持聚变能量增益因子（Q 值）的世界纪录（Q=0.67）。
1991年首个包含氚的实验完成，使JET成为世界首个使用50–50的氚和氘混合生产燃料运行的反应堆。1997年性能改良后的JET创下了最接近科学盈亏平衡的记录，达到Q=0.67。除此之外，欧洲各国都拥有先进的托卡马克装置，包括德国的ASDEXU、意大利的FTU、英国的MAST、法国的WEST 等。
2. 美国：最活跃的核聚变研究国之一，兼顾两种主流核聚变方式
1982年，普林斯顿大学等离子体物理实验室宣布美国首款托卡马克聚变试验反应堆（TFTR）建成投入使用。TFTR紧随JET取得聚变功率输出，聚变能量增益因子（Q值）达0.28。随后美国通用原子能公司发布尺寸较小、更灵活的DIII-D装置，并完成了更多的先进托卡马克装置实验研究。
图说：美国托卡马克聚变试验反应堆（TFTR）和阿尔卡特 C-Mod 装置，来源：维基百科、海通国际
2009年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF）启用，最初是为了通过模拟爆炸来测试核武器，随后被用于推进核聚变的研究。2016年10月，美国麻省理工学院在阿尔卡特（Alcator）C-Mod Alcator C-Mod创造了磁约束聚变装置体积平均等离子体压强的世界纪录（2.05个大气压），等离子体压强首次超过了两个大气压，其中等离子体每秒发生300万亿次聚变反应。
2019年11月，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的等离子体线性实验（PLX），结合了磁约束和惯性约束两种主流核聚变方式的优势，对制造出核聚变能量，提升其生产效率具备实用价值。
3. 中国：核聚变研究后来居上，研发不断加速
中国最先进的托卡马克装置为中科院等离子体物理研究所的“东方超环”EAST和中核工业西南物理研究院的环流器二号HL-2M。“东方超环”EAST于2006年正式建成，成为我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置。“东方超环”近年来屡次创造世界纪录，今年4月12日，其实现了高功率稳定的403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，创造了托卡马克装置稳态高约束模运行新的世界纪录。
图说：中国东方超环East和HL-2M托卡马克装置360度示意，来源：新浪财经、凤凰新闻、海通国际
HL-2M现用于核聚变研究，特别是研究从等离子体中提取热量。根据新华社报道，2022年10月21日我国新一代“人造太阳”HL-2M“托卡马克”装置取得突破性进展，等离子体电流突破1兆安培，距离可控核聚变点火又近了一步，可在此基础上常规开展前沿科学研究。
图说：神光二号激光装置，来源：上海光机所
在激光惯性约束方面，神光二号是我国2002年成功研制的大型激光装置，建在中科院上海光机所，由成百台光学设备集成在一个足球场大小的空间内，十亿分之一秒的超短瞬间内可发射出相当于全球电网电力总和数倍的强大功率，从而释放出极端压力和高温。神光二号核聚变试验同本次突破的NIF采用同样的技术路线，未来有望进一步提高激光能量。
资本涌入，可控核聚变商业化加速
核聚变未来最主要的应用场景将是发电，相较于传统的化石燃料发电厂，核聚变有可能提供几乎无限的清洁能源，几乎不产生温室气体或有害污染物。而相较于光伏、风电，核聚变发电厂可以连续运行，为电网提供稳定的电力来源。
“净能量增益”的实现，则从理论上验证了核聚变商业化的可能性。美国能源部也将首次可控核聚变点火“成功”视为通向聚变商业发电的里程碑式技术突破。
过往核聚变研究主要由国家机构以及多个国家间的合作来主导，但自2021年始，私人资本加速进入可控核聚变领域，且主要集中在小型商用托卡马克领域。
图说：核聚变初创企业的融资轮次及融资金额，来源：骡子科技、民生证券研究院
2021年11月，OpenAI CEO Sam Altman、PayPal联合创始人Peter Thiel等硅谷名流和风投机构向Helion投资了5 亿美元。在Helion融资的一个月后，从麻省理工学院独立出来的核聚变创业公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）宣布完成了大额融资，这也是到目前为止在可控核聚变领域最大的单笔融资。
这笔18亿美元的融资，超过之前所有核聚变创业公司融资之和，甚至超过美国政府当年给核聚变研究的经费拨款。包括比尔盖茨、索罗斯等在内的明星投资人和老虎环球基金、谷歌的母公司Alphabet、Marc Benioff、DFJ Growth等一众巨头纷纷入局CFS。
在国内，“冷门”的核聚变商业化赛道，也在不知不觉中“热”起来了。
技术源自清华大学工程物理系核能所聚变团队的星环聚能在2022年6月完成数亿元天使轮融资，该轮融资由顺为资本、昆仑资本、红杉种子基金、险峰长青等多家知名机构联合完成，资金将用于小型化、商业化、快速迭代的可控聚变能装置的设计、建设、运行和研发。近日，星环聚能研发的SUNIST-2球形托卡马克建成并开展了首轮运行，获得第一等离子体。
图说：“洪荒70”高温超导托卡马克装置示意图，来源：能量奇点
同样成立于2021年的能量奇点，于去年2月完成首轮融资，融资金额近4亿元人民币，由米哈游和蔚来资本共同领投，红杉中国种子基金和蓝驰创投跟投。今年4月28日，能量奇点对外宣布其已完成近4亿元Pre-A轮融资，投资方包括ENLIGHTENMENT、米哈游等，本轮融资的资金将主要用于经天磁体和奇门系统研发。
据研究机构统计，商业化聚变领域近年来成立的创业公司数量迅速攀升至近40家，其中近一半公司在过去5年间成立。这些初创公司也获得大量的投资，仅在2022年一年内就从风投机构获得了约50亿美元的资金。这意味着，在资本的助推下，这个赛道遍地开花的时代来了。
写在最后
可控核聚变的商业化应用前景美好，但距离实现仍需数十年的持续研究。美国能源部部长表示，核聚变商业化大概率有望缩短到几十年内实现。但建造可控核聚变发电厂任务艰巨，目前如何降低核聚变的成本，提高能量净增益倍数是科学与企业界未来实现规模应用的关键。
不过好消息是，近期人工智能和超导领域的突破将会对核聚变产业的发展产生重大影响，或将显著缩短其商业化开发周期。核聚变研究自身涉及复杂的物理过程和海量的数据，人工智能可以用来优化实验参数、开发更准确的等离子体行为模型。超导技术，则可以解决托卡马克装置中电阻和损耗的问题。
苏联物理学家、托卡马克之父列夫·阿齐莫维奇（Lev Artsimovich）曾说过一句至理名言：“当整个社会都需要的时候，聚变就会实现。”一位了解结果的人士表示，美国国家点火装置（NIF）在取得初步突破“仅八个月”后就取得了改善，这进一步表明进展速度正在加快。
在技术突破和资本助推下，可控核聚变的新时代将加速到来。
参考资料
[1]https://www.ft.com/content/a9815bca-1b9d-4ba0-8d01-96ede77ba06a
[2]https://www.theguardian.com/environment/2023/aug/06/us-scientists-achieve-net-energy-gain-second-time-fusion-reaction
[3]https://www.reuters.com/business/energy/us-scientists-repeat-fusion-power-breakthrough-ft-2023-08-06/
[4]https://www.reuters.com/article/usa-nuclearpower-fusion-idAFL1N39N0FP
[5]https://www.washingtonpost.com/climate-solutions/2023/08/06/nuclear-fusion-net-energy-gain-higher-yield/
[6]https://www.ft.com/content/4ff76541-ebdc-43ed-bf4e-4faa75fcf2f9
[7]https://www.llnl.gov/news/60-minutes-snl-fusion-ignition-news-thrusts-llnl-zeitgeist
[8]https://www.nbd.com.cn/articles/2023-08-07/2949066.html
[9]http://stdaily.com/index/kejixinwen/202212/b04df511100b480f8104bf64af126559.shtml
[10]20221216-海通国际-中国科技行业战略：可控核聚变实现净能量增益，开启能源获得想象空间
[11]20221218-民生证券-机械行业一周解一惑系列：商业可控核聚变及先行受益产业链
[12]20230710-中信证券-能源化工行业可控核聚变专题：随技术突破及资本涌入，可控核聚变商业化加速
[13]https://36kr.com/p/2275519426205705
[14]https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_22893034
[15]https://www.kunlun-cap.com/wap/2022/news_wap_0706/102.html
[16]http://science.china.com.cn/2023-07/13/content_42443827.htm
本文来自微信公众号：环球零碳（ID：carbon-done），作者：Penn，编辑：小棠
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网址: 核聚变“点火”再成功：我们何时能掌控它？ http://m.xishuta.com/newsview86335.html
