可控核聚變的十個“里程碑”｜甲子光年_TER

把時間拉長，科技和科幻沒有分界線。

作者|劉景豐

2022年12月13日，美國能源部召開新聞發布會，正式公布勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室關于“可控核聚變”實驗的歷史性突破進展，實現核聚變反應凈能量增益。

從去年開始在VC圈火爆的可控核聚變，一時間又成了科技圈的當紅領域——無論是科技創業者，還是風險投資人，都在為這一消息一鍵三連。用德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所的核聚變專家ThomasKlinger在1年前接受采訪時說的話是：“整個氛圍都變了，我們感覺離目標越來越近了。”

先簡單解釋下什么是可控核聚變。核聚變，是指將兩個較輕的原子，在極高溫、高壓下讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發生原子核互相聚合作用，生成一個較重的核和一個極輕的核。在此過程中，一部分聚變的原子核的物質被轉化為光子。這是太陽以及其他恒星內部源源不斷產生能量的方式。

最早的人工核聚變技術在氫彈上得到體現，但是不受控制的。上世紀50年代，人類開始研究用于民用目的的可控核聚變。

由于其產生巨大的清潔能量，也被譽為“人類能源的圣杯”。

此前，由于種種條件的約束，可控核聚變一直沒有得到現實的驗證，輸出能量一直小于輸入能量。因此，許多人也認為這項技術中短期難以得到實質性應用，甚至很多人還認為其只是科幻中的事物。然而，回顧人類對可控核聚變的認識和探索，就能明顯感受到，可控核聚變已經逐步從科幻走入現實，而我國也在該領域發揮越來越重要的作用。

第一顆氫彈爆炸

提起人類對核聚變的利用，可以追溯到1952年。

1952年11月1日凌晨，一個代號為“邁克”的82噸重核裝置在太平洋馬紹爾群島的埃尼威托克珊瑚島被引爆，這是世界上氫彈試驗的首次成功。這個裝置高6米，直徑為1.8米，重65噸——看上去像個大暖瓶，但它的爆炸威力相當于1000多萬噸TNT的爆炸當量，是廣島型原子彈威力的700倍。

這是自1919年，科學家發現大量輕原子核碰撞可以發生核反應的原理后，人類首次實現了核聚變。

核聚變釋放巨大能量，在戰爭中發揮著巨大威懾力，但是這種能量不可控，幾千萬、上億攝氏度高溫的聚變物質裝在什么容器里一直是困擾人們的難題。

中國工程院院士陳純：要高度重視發展國產自主可控的區塊鏈基礎設施和平臺:12月26日，2021CCF中國區塊鏈技術大會在海南海口舉辦，中國工程院院士陳純分享了對我國區塊鏈發展的思考，他表示，要高度重視新型區塊鏈體系架構的研究，區塊鏈的每一次重大技術演進都是在面對不同的應用場景和需求，提出了新的體系架構，從根本上解決區塊鏈的性能、安全性、可擴展性的問題，需要體系架構的內生支持。

要高度重視區塊鏈生態發展，區塊鏈本質上是一種構建可信生態的技術技術平臺，要形成技術生態體系。要高度重視發展國產自主可控的區塊鏈基礎設施和平臺，加快建設區塊鏈國家重點實驗室，國家戰略科技理念，從基礎理論、核心技術、底層平臺等方面實現原始創新突破。

要充分認識區塊鏈技術的核心價值，建立自主可控、高效安全廣泛深入的區塊鏈底層技術體系和行業應用生態，支撐網絡強國，數字中國等國家戰略的實施，推進社會治理體系和治理能力現代化。[2021/12/26 8:04:46]

發明托卡馬克裝置

就在人們產生了對核聚變進行控制的想法后，科學家們開始了一系列探索。

如果把核聚變反應堆比作一個火爐，首先要有一個不被上億攝氏度高溫燒穿的容器，其次是實現點火。在能實現這兩個需求的諸多技術中，持續最久、目前看最有希望的還是列夫·阿爾茨莫維奇等人在1950年代末發明的托卡馬克裝置。

1954年，蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所提出的“托克馬克裝置”，它采用磁力約束的方法實現控制高溫的聚變等離子。

高能粒子流經托卡馬克形成甜甜圈形狀

這里值得一提的是，約束熱核聚變高溫等離子有3種方法：重力約束、慣性約束和磁力約束。太陽的核聚變就是重力約束實現的；而慣性約束，是利用超高強度的激光在極短的時間內輻照靶板來產生聚變。相比較而言，托卡馬克類型的磁約束研究領先于其他途徑，是最有可能率先成功的可控聚變方式。

托卡馬克是俄語“磁線圈環形真空室”的縮寫，這是一種形如面包圈的環流器，依靠等離子體電流和環形線圈產生的強磁場，將極高溫等離子狀態的聚變物質約束在環形容器里，以此來實現聚變反應。

具體而言，由于等離子體中每個粒子都是顯電性的，帶電粒子會沿封閉的磁力線做螺旋式運動，所以幾億度高溫的等離子體就這樣被約束在這種環形的磁場中。這種環形的磁場又叫磁瓶或磁籠，看不見，摸不著，也不接觸有形的物體，因而也就不怕什么高溫了，它可以把炙熱的等離子體托舉在空中。

中國央行副行長陳雨露：加快中央銀行法定數字貨幣的研發和可控試點:中國央行副行長陳雨露：加快中央銀行法定數字貨幣的研發和可控試點，保障支付安全。推動征信市場和信用評級規范發展。加強金融科技創新研究及其在金融基礎設施建設中的應用，拓展金融基礎設施覆蓋范圍，彌合數字鴻溝，提升運行效率與監管效能。（中國金融）[2020/10/11]

然而在實際中，約束等離子體的磁場，雖然不怕高溫，卻很不穩定，且等離子體在加熱過程中能量也不斷損失，這給托卡馬克實際應用帶來了重重挑戰。

目前地球上最大的托卡馬克裝置是歐洲聯合環，由多個歐洲國家于1984年建成，位于英國，外圈半徑3米，真空室高4米，其目標是讓核聚變得“經濟”。2021年12月，JET在實驗中實現了5秒內產生59兆焦耳的持續能量，打破該裝置在1997年的紀錄，并創造了新的世界能源紀錄。

另外一個規劃規模比JET還要大的是ITER，只不過目前其還在建設中。

ITER的提出和建設

1985年——JET建成的第二年，蘇共中央總書記戈爾巴喬夫在日內瓦峰會上，與時任美國總統里根的會面中提出一項倡議——由多國聯合開發核聚變裝置，以減少因爭奪能源可能引發的國際爭端。

這確實是一項造福整個人類的宏偉計劃。隨后在1988年，人們開始了實驗堆的研究設計。這個項目后來成為了ITER——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，等離子體環的半徑超過6米，是JET的兩倍，體積更是JET的10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，每小時用5萬度電的能量，而釋放出50萬度電的能量。

理論上真空室足夠大，就更容易用磁力控制離子體。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。然而由于牽涉國家利益較多，ITER計劃上演了長達十年的“選址糾紛”。直到2006年，ITER反應堆正式啟動建設，參與方包括中國、歐盟成員國、美國、俄羅斯、韓國和日本等35個國家，其中中國在其中承擔約9%的采購包制造任務。

2007年國際熱核聚變實驗堆組織正式成立。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。

現場 | 鐘宏：抓住區塊鏈+數字經濟3.0的機會構建安全可控的數權經濟:金色財經報道，11月29日上午，由國研智庫創新科學園、廣州市科學技術協會、區塊鏈產業人才研究所、清華x-lab、粵港澳大灣區區塊鏈聯盟、廣州市區塊鏈產業協會聯合舉辦的“學習習總書記區塊鏈技術重要講話精神暨粵港澳區塊鏈技術與產業創新發展高級研討活動”在廣東科學館報告廳舉行，清華x-lab青藤鏈盟研究院院長、區塊鏈產業智庫專家鐘宏發表“學習習總書記講話精神“區塊鏈+”數字經濟3.0新模式”主題演講，他表示，習總書記講話明確中國特色區塊鏈，要重點推動技術創新發展和社會經濟融合發展。抓住區塊鏈+數字經濟3.0的機會，萬物上鏈，構建安全可控的數權經濟。區塊鏈是建立可信的數權體制，一切權益數據化。區塊鏈是數據經濟生產要素的基礎設施。隨著區塊鏈和數權經濟的到來，區塊鏈要在政務上鏈、依法治國上鏈、存證上鏈上發力。區塊鏈帶來數字經濟3.0增長機遇：治理上鏈、金融上鏈、產業上鏈。[2019/11/29]

巨大的托卡馬克內部結構圖

不過到2013年，容納ITER的建筑仍沒有開始建，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，即2035年才會進行真正的核聚變實驗——距離最初的設想已過去50年。

ITER建設的一個新進展是，11月22日中國團隊在其核心部件中已率先突破，制造完成首件被喻為實驗堆“防火墻”的增強熱負荷第一壁。

東方超環創造世界紀錄

就在中國加入ITER建設的同年——2006年9月28日，中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設計、自主建造的新一代熱核聚變裝置EAST首次成功完成放電實驗，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電。EAST成為世界上第一個建成并真正運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置。

2021年12月30日，EAST全超導托卡馬克裝置再次創造新的世界紀錄，實現了在7000萬攝氏度高溫下，穩定運行了1056秒的世界紀錄，在1.2億攝氏度下運行了101秒。這是目前世界上托卡馬克裝置實現的最長時間高溫等離子體運行。

今年10月，中核西南物理研究院的HL-2M裝置制造出1.5億℃的高溫，同時等離子體電流突破100萬安培(1兆安)，創造了我國可控核聚變實驗裝置運行新紀錄。

聲音 | 微眾銀行姚輝亞：分布式技術是大勢 已建立自主可控的區塊鏈平臺:據鈦媒體8月8日消息，微眾銀行科技創新產品部負責人姚輝亞發表主題演講。其表示，微眾銀行非常專注科技金融領域，人工智能、區塊鏈、大數據領域，我們做了大量的嘗試。比如拿AI來講，我們做了機器人客服、機器人催收等等。在區塊鏈領域我們成立了一個金聯盟，搭建了國內自主可控的區塊鏈平臺。[2019/8/9]

實現能量增益Q值大于1

盡管人類對核聚變的研究已超過70年，但一直以來的困擾是，以現有技術加熱并控制等離子體需要巨大能量，大到入不敷出，即輸入的能量總是大于產生的能量。

科學家們以Q值衡量核聚變反應的能效比，大于1意味著核聚變產生的能量多于它用掉的。1997年是JET最接近目標的時刻，在一次實驗中，Q值達到0.67——維持了不到1秒，消耗了約9度電的能量，產生了6度電的能量，但這還沒算冷卻設備和大部分磁場電源等消耗的能量。

從2012年到2021年，人們每次核聚變實驗輸入的能量都在2.05兆焦耳(MJ)左右，輸出的能量每年都有提高，但是到2021年也只有1.4兆焦耳，只有輸入的70%。但就在日前這一魔咒被打破——2022年12月5日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)歷史性的輸出了3.15兆焦耳，是輸入的1.5倍，實現了凈能量增益！

不過，值得商榷的是，通過激光“點火裝置”進行核聚變，中間要經過多層能量轉化才能獲得能量足夠大的高能激光，每一層都有巨大的能量耗損。LLNL聲稱的150%能量收益，是從激光能量輸入來算的，如果考慮到電能轉化為激光過程中巨大的能量耗損，其正能量收益的含金量將大打折扣。實際上，算上激光器工作所需要的供能，這一輸出遠遠小于能量的消耗。

但它還是有意義的，因為它的確實現了聚變中產生的能量多于用于驅動它的激光能量，證明了慣性聚變能(IFE)的最基本科學基礎。

不過，1.5倍的能量增益仍舊離真正的實用相差太遠。一方面，盡管LLNL理論上每天可以點燃一個靶丸，但核聚變電廠需要實現每秒鐘十次，這是其當下難以達到的；另一方面，凈增益能量也需要大幅提高，從工程學角度而言，最終產出的能量為投入激光組能量的2倍才算達標，而國際上公認的Q值需要達到30，核聚變發電才具有競爭力，樂觀估計至少還需要30～40年。

私人投資涌入核聚變

過去，核聚變作為能源領域的應用，一直是由國家、甚至多個國家共同主導建設的項目，普通企業、私人資本極少有能力能支持對這樣項目的研究。

動態 | 騰訊云發布“自主可控金融業務支撐平臺” 運用區塊鏈等技術:據億歐消息，騰訊云今日發布“自主可控金融業務支撐平臺”，發布會上，騰訊金融云總經理胡利明表示，該平臺運用人工智能、大數據、區塊鏈等領先技術打造智能金融，助力業務改革與創新，助力金融機構數字化升級。[2019/3/12]

但自2021年開始，轉機出現了。

2021年11月，硅谷創業孵化器YC前CEO山姆·阿爾特曼、PayPal聯合創始人彼得·蒂爾等硅谷名流和風投機構向Helion投資了5億美元。這是一筆不小的數目，不過更有意思的是，Helion是一家成立了8年的核聚變創業公司，5個月前其剛宣布把等離子體加熱到1億攝氏度，實現了原本只有政府項目才能做到的壯舉。

私人資本大舉進入可控核聚變領域，是因為其看到了人們在這一領域研究的進展和曙光。

就在Helion融資的一個月后，從麻省理工學院獨立出來的核聚變創業公司CommonwealthFusionSystems放出了一個更重磅的消息——拿到比爾·蓋茨、喬治·索羅斯、Google等30位富豪、公司或機構超過18億美元的融資，超過之前所有核聚變創業公司融資之和。這比美國政府當年給核聚變研究的撥款還多。

在國內，星環聚能、能量奇點等核聚變領域創業公司也都完成了數億元大額融資。「甲子光年」在此前《VC擁抱可控核聚變，“人造太陽”何時升起？》一文中進行過詳細描述。

一些投資人把當下可控核聚變的創業潮比作2016年的自動駕駛或商業航天，甚至有人喊出“聚變行業的SpaceX時刻”已經到來。

隨著私人資本支持下的核聚變創業公司加入，整個行業也熱鬧起來，而國家隊與創業公司的分工越來越明顯：國家隊“直奔終點”，直接研究大型托卡馬克裝置，最終建造可控核聚變發電站；創業公司更像“摸著石頭過河”，主攻小型托卡馬克，開辟新的商業模式——相比ITER之類的龐然大物，小型托卡馬克裝置的建設速度和迭代效率更優，更加適合創業公司的節奏。

創業公司和私人資本的加入，意味著有人開始思考和探索可控核聚變的商業化之路了。

下一個難關：氚自持

人類目前可控核聚變反應使用氘和氚兩種元素進行，氚在高溫條件下最容易與氘發生核聚變反應釋放巨大的能量。

據稱，ITER的第一個實驗將使用氫和氘，并且不會產生凈輸出能量。但一旦它開始運行可以產生能量的DT反應堆，每年將消耗1公斤的氚。

而氚是非常稀有原材料，全球產量大約只有幾十公斤，并且氚的半衰期只有12.5年，不適合儲存。目前世界上氚的唯一的商業來源是19座加拿大氘鈾(CANDU)核反應堆，每座反應堆每年產生約0.5公斤的氚，其中一半將在2030年前退役。根據ITER在2018年研究計劃的預測，目前全球可用的氚庫存約為25公斤——將在2030之前達到頂峰，并隨著被出售和衰變而開始穩步下降。

研究人員在20多年前就意識到，核聚變的“氚窗”最終會砰然關閉，從那以后情況只會變得更糟。ITER原本打算在2010年代初啟動并在十年內結束一個DT反應堆。但由于法國核監管機構要求進行疫情大流行和安全檢查，ITER的啟動已被推遲到2025年，并且可能再次推遲。ITER最早要到2035年才會點燃DT，屆時氚供應已經開始萎縮。

如果沒有CANDU反應堆，DT反應堆將是一個遙不可及的夢想。美國核聚變專家MohamedAbdou曾說過一句話，“世界上發生核聚變最幸運的事情是CANDU反應堆產生氚作為副產品。”

此外，那種理論上可以產生氚的方式，現實中從未在聚變反應堆中進行過測試。MohamedAbdou和他的同事發現，在最好的情況下，發電反應堆只能產生比其自身燃料所需略多一點的氚，而如果考慮到泄露和停機維護，這多出來的一點點也沒法收集到。

按照規劃，從2030年代開始，核聚變反應堆將大大增加對氚的需求，每年的需求量將達到2公斤，屆時ITER和其他核聚變初創公司計劃開始燃燒氚。

根據ITER的預測，一旦ITER在2050年代完成使命并關閉，氚的殘留量只有5公斤或更少。EuroFusion研究機構聚變技術負責人GianfrancoFederici也承認，在最壞的情況下，“似乎沒有足夠的氚來滿足ITER之后的核聚變需求”。也就是說，如果ITER順利的完成了實驗，證明了這套裝置可以穩定運行輸出電力，但是可能人們卻沒有足夠的氚來供應一個真正的核聚變電廠。

因此，另一項有待攻克的關鍵技術出現了：氚自持。這也是ITER的重要使命。其主要方法是，利用反應產生的高能中子，轟擊裝置內壁的鋰靶，產生氚，再用于支持后續的氘氚反應。也就是說，不需要持續不斷地外部注入氚。

核聚變有沒有前途，就要看下一個技術突破進展了。

商業化目標：建立以可控核聚變為能源的商業發電站

實際上，ITER是介于當前的等離子物理實驗裝置和未來的核聚變發電站之間的一個試驗性步驟，其目標是要建造第一個可自持燃燒的核聚變實驗堆。

而業內對可控核聚變商業化幾乎達成共識的共同目標是：建立以可控核聚變為能源的商業發電站。

前述美國CFS公司在募集了18億美元資金后，已計劃在美國建立一座核聚變反應堆SPARC，占地將近47畝，預期在2025年實現商業核聚變發電。

SPARC核聚變反應堆會采用托卡馬克技術路線，通過強大的磁場控制上億度高溫的等離子體，但是CFS公司表示他們的反應堆不像其他托卡馬克裝置那樣使用成本高昂的材料，足夠低成本下依然能創造出強大的磁場約束裝置。如果2025年SPARC核聚變反應堆能夠成功商業發電，CFS公司計劃在全球建設1萬座200兆瓦的核聚變發電廠，足以取代幾乎所有化石能源發電廠。但這一美好的設想，目前并沒有看到令人振奮的進展。

土耳其點核發電核聚變的空中照片

在國內，2021年9月，中科院等離子體物理研究所所長宋云濤在接受媒體采訪時稱，他們已經開始做未來核聚變發電站的工程設計，希望在國家的大力支持下，在10年內建成小的示范工程，真正實現核聚變堆發電。

對于核聚變發電站的時間表，美國提出2035年至2040年在能源部和企業試點核聚變發電站發電；英國提出2040年實現核聚變能源商業化；中國也有自己的路線，會在2060年前建成核聚變電站并廣泛應用。

更大的未來：能源產業從“支撐”轉向“調控”

按照樂觀派估計，人類至少還要花200年左右的時間，才能完全掌握可控核聚變技術，到那時，人類社會將徹底擺脫能源危機，能源將會成為這個星球上最廉價的商品。

在可控核聚變實現商業化運行后，能源產業將發生一個翻天覆地的變化：能源的主要定位將從支撐經濟社會運行轉向調控科技和產業有序發展，避免科技失控和產業失控。

當下，隨著科技創新的加快，其帶來的倫理、環境、社會、公共安全等多方面風險也逐漸顯現，比如AI威脅、非法基因編輯等等。當各項前沿技術所涉及的能量級數和空間尺度，以越來越快的速度脫離人類社會的抵御和承受范圍，這些技術之間的靈活組合和相互促進也快速縮短了其從理論雛形發展到實際應用所需的流程和時間。在可預見的未來，任何形式的科技和產業失控事件都可能給人類社會帶來措手不及的災難性影響。

為此，就需要在科技和產業創新活動中的源頭、關鍵環節建立起一道安全防線。然而，現有的科技風險評估和安全監管體系面臨兩方面問題：一是監測對象沒有下沉到具體的儀器設施設備，無法及時獲取科技領域高度復雜和動態的風險信息和異常情況；二是對以能源為代表的創新要素的調控還處于非常粗放的狀態，無法對其進行及時精準的調控。

針對上述問題，有學者提出，提出構建以能源免疫系統、能源神經網絡和毛細化供能技術為基礎的模塊化供能產業，實現點對點地監測用能設備的程序運行情況和能源使用情況，并根據程序運行和能源使用是否異常來點對點地精準調控對用能設備的供能過程。

想象的盡頭：可以隨時隨地獲取星際能量

文明的等級，來自于它獲取和利用能量的能力。

1964年，蘇聯天文學家尼古拉·卡爾達肖夫基于文明可用的能量，將文明技術的先進等級劃分為三類：

類型I：該文明是行星能源的主人，這意味著他們可以主宰這顆行星以及周圍衛星能源的總和；

類型II：該文明能夠收集整個恒星系統的能源；

類型III：該文明可以利用銀河系系統的能源而為其所用。

截止2018年，人類文明為0.728級。

如果人類掌握了太陽能量的方法——核聚變能源，也即開啟了星際文明的時代。

地球上的能量主要是地球形成之時的核物理能，以及46億年來地球接收的來自太陽的能量。未來當人類想要實現星際穿越，就需要進一步考慮，如何使用宇宙空間中的能量、如何就地取材，探索的星球本身的能量。

利用可控核聚變技術進行星際旅行，是目前人類理論知識體系中最現實的方案，因為核聚變的燃料在宇宙中大量存在，每一個恒星系都可以成為一個“加油站”。因此，如果人類想要實現星際旅行，至少要掌握可控核聚變技術。

至此，已經分不清現實與科幻，就像劉慈欣在《三體》小說中提到，可控核聚變和太空電梯是行星防御和宇宙航行的兩項起步技術，而這些已在現實中隱隱對應。

最后，用《三體》中的一句話作結：

人類文明的航船已經孤獨地駛到了茫茫的大洋中，舉目四望，只有無邊無際的險惡波濤，誰也不知道，彼岸是不是真的存在。

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