可控核聚变的十个“里程碑”

本文来自微信公众号：甲子光年 （ID：jazzyear），作者：刘景丰，题图来自：视觉中国

2022年12月13日，美国能源部召开新闻发布会，正式公布劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）关于“可控核聚变”实验的历史性突破进展，实现核聚变反应净能量增益。

从去年开始在VC圈火爆的可控核聚变，一时间又成了科技圈的当红领域——无论是科技创业者，还是风险投资人，都在为这一消息一键三连。用德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所的核聚变专家Thomas Klinger在1年前接受采访时说的话是：“整个氛围都变了，我们感觉离目标越来越近了。”

先简单解释下什么是可控核聚变。核聚变，是指将两个较轻的原子，在极高温、高压下让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成一个较重的核和一个极轻的核（或粒子）。在此过程中，一部分聚变的原子核的物质被转化为光子（能量）。这是太阳以及其他恒星内部源源不断产生能量的方式。

最早的人工核聚变技术在氢弹上得到体现，但是不受控制的。上世纪50年代，人类开始研究用于民用目的的可控核聚变。

由于其产生巨大的清洁能量，也被誉为“人类能源的圣杯”。

此前，由于种种条件的约束，可控核聚变一直没有得到现实的验证，输出能量一直小于输入能量。因此，许多人也认为这项技术中短期难以得到实质性应用，甚至很多人还认为其只是科幻中的事物。然而，回顾人类对可控核聚变的认识和探索，就能明显感受到，可控核聚变已经逐步从科幻走入现实，而我国也在该领域发挥越来越重要的作用。

第一颗氢弹爆炸

提起人类对核聚变的利用，可以追溯到1952年。

1952年11月1日凌晨，一个代号为“迈克”的82吨重核装置在太平洋马绍尔群岛的埃尼威托克珊瑚岛被引爆，这是世界上氢弹试验的首次成功。这个装置高6米，直径为1.8米，重65吨——看上去像个大暖瓶，但它的爆炸威力相当于1000多万吨TNT的爆炸当量，是广岛型原子弹威力的700倍。

这是自1919年，科学家发现大量轻原子核（比如氘氚）碰撞可以发生核反应的原理后，人类首次实现了核聚变。

核聚变释放巨大能量，在战争中发挥着巨大威慑力，但是这种能量不可控，几千万、上亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里一直是困扰人们的难题。

发明托卡马克装置

就在人们产生了对核聚变进行控制的想法后，科学家们开始了一系列探索。

如果把核聚变反应堆比作一个火炉，首先要有一个不被上亿摄氏度高温烧穿的容器，其次是实现点火。在能实现这两个需求的诸多技术中，持续最久、目前看最有希望的还是列夫·阿尔茨莫维奇等人在1950年代末发明的托卡马克（Tokamak）装置。

1954年，苏联库尔恰托夫原子能研究所提出的“托克马克装置”，它采用磁力约束的方法实现控制高温的聚变等离子。

高能粒子流经托卡马克形成甜甜圈形状

这里值得一提的是，约束热核聚变高温等离子有3种方法：重力约束、惯性约束和磁力约束。太阳的核聚变就是重力约束实现的；而惯性约束，是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。相比较而言，托卡马克类型的磁约束研究领先于其他途径，是最有可能率先成功的可控聚变方式。

托卡马克是俄语“磁线圈环形真空室”的缩写，这是一种形如面包（多纳）圈的环流器，依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场，将极高温等离子状态的聚变物质约束在环形容器里，以此来实现聚变反应。

具体而言，由于等离子体中每个粒子都是显电性的，带电粒子会沿封闭的磁力线做螺旋式运动，所以几亿度高温的等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中。这种环形的磁场又叫磁瓶或磁笼，看不见，摸不着，也不接触有形的物体，因而也就不怕什么高温了，它可以把炙热的等离子体托举在空中。

然而在实际中，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，却很不稳定，且等离子体在加热过程中能量也不断损失，这给托卡马克实际应用带来了重重挑战。

目前地球上最大的托卡马克装置是欧洲联合环（JET），由多个欧洲国家于1984年建成，位于英国，外圈半径3米，真空室高4米，其目标是让核聚变得 “经济”。2021年12月，JET在实验中实现了5秒内产生59兆焦耳的持续能量，打破该装置在1997年的纪录，并创造了新的世界能源纪录。

另外一个规划规模比JET还要大的是 ITER（国际热核聚变实验反应堆），只不过目前其还在建设中。

ITER的提出和建设

1985年——JET建成的第二年，苏共中央总书记戈尔巴乔夫在日内瓦峰会上，与时任美国总统里根的会面中提出一项倡议——由多国联合开发核聚变装置，以减少因争夺能源可能引发的国际争端。

这确实是一项造福整个人类的宏伟计划。随后在1988年，人们开始了实验堆的研究设计。这个项目后来成为了 ITER（国际热核聚变实验反应堆）——一个超大型托卡马克装置。整个装置高约30米，相当于十层楼高，等离子体环的半径超过6米，是JET的两倍，体积更是JET的10倍。它的目标是把等离子体加热到10亿度，维持500秒的核聚变实验，每小时用5万度电的能量，而释放出50万度电的能量。

理论上真空室足够大，就更容易用磁力控制离子体。几乎所有的核聚变研究者都认为，只要ITER能建好并成功运作，核聚变研究就会往前一大步。然而由于牵涉国家利益较多，ITER计划上演了长达十年的“选址纠纷”。直到2006年，ITER反应堆正式启动建设，参与方包括中国、欧盟成员国、美国、俄罗斯、韩国和日本等35个国家，其中中国在其中承担约9%的采购包制造任务。

2007年国际热核聚变实验堆组织（ITER）正式成立。参与其中的科学家们预计，建造ITER需要10年、投入65亿美元，欧盟出一半。

巨大的托卡马克内部结构图

不过到 2013 年，容纳ITER的建筑仍没有开始建，而且各项开支严重超标，项目濒临死亡。致力于此的科学家们周旋两年，各国政府才重新达成共识，让项目持续下去，但成本预计翻两番超过220亿美元，建成时间表往后推9年到2025年。建成后再过十年，即2035 年才会进行真正的核聚变实验——距离最初的设想已过去50年。

ITER建设的一个新进展是，11月22日中国团队在其核心部件中已率先突破，制造完成首件被喻为实验堆“防火墙”的增强热负荷第一壁。

东方超环创造世界纪录

就在中国加入ITER建设的同年——2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造的新一代热核聚变装置EAST（东方超环）首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。

2021年12月30日，EAST全超导托卡马克装置再次创造新的世界纪录，实现了在7000万摄氏度高温下，稳定运行了1056秒的世界纪录，在1.2亿摄氏度下运行了101秒。这是目前世界上托卡马克装置实现的最长时间高温等离子体运行。

今年10月，中核西南物理研究院的HL-2M装置制造出1.5亿℃的高温，同时等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造了我国可控核聚变实验装置运行新纪录。

实现能量增益Q值大于1

尽管人类对核聚变的研究已超过70年，但一直以来的困扰是，以现有技术加热并控制等离子体需要巨大能量，大到入不敷出，即输入的能量总是大于产生的能量。

科学家们以Q值衡量核聚变反应的能效比，大于1意味着核聚变产生的能量多于它用掉的。1997年是JET最接近目标的时刻，在一次实验中，Q值达到0.67——维持了不到1秒，消耗了约9度电的能量，产生了6度电的能量，但这还没算冷却设备和大部分磁场电源等消耗的能量。

从2012年到2021年，人们每次核聚变实验输入的能量都在2.05 兆焦耳（MJ）左右，输出的能量每年都有提高，但是到2021年也只有1.4兆焦耳，只有输入的70%。但就在日前这一魔咒被打破——2022年12月5日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）历史性的输出了3.15兆焦耳，是输入的1.5倍，实现了净能量增益！

不过，值得商榷的是，通过激光“点火装置”进行核聚变，中间要经过多层能量转化才能获得能量足够大的高能激光，每一层都有巨大的能量耗损。LLNL声称的150%能量收益，是从激光能量输入来算的，如果考虑到电能转化为激光过程中巨大的能量耗损，其正能量收益的含金量将大打折扣。实际上，算上激光器工作所需要的供能（约300兆焦耳），这一输出远远小于能量的消耗。

但它还是有意义的，因为它的确实现了聚变中产生的能量多于用于驱动它的激光能量，证明了惯性聚变能（IFE）的最基本科学基础。

不过，1.5倍的能量增益仍旧离真正的实用相差太远。一方面，尽管LLNL理论上每天可以点燃一个靶丸，但核聚变电厂需要实现每秒钟十次，这是其当下难以达到的；另一方面，净增益能量也需要大幅提高，从工程学角度而言，最终产出的能量为投入激光组能量的2倍才算达标，而国际上公认的Q值需要达到30，核聚变发电才具有竞争力，乐观估计至少还需要30～40年。

私人投资涌入核聚变

过去，核聚变作为能源领域的应用，一直是由国家、甚至多个国家共同主导建设的项目，普通企业、私人资本极少有能力能支持对这样项目的研究。

但自2021年开始，转机出现了。

2021年11月，硅谷创业孵化器YC前CEO山姆·阿尔特曼（Sam Altman）、PayPal 联合创始人彼得·蒂尔（Peter Thiel）等硅谷名流和风投机构向Helion投资了5亿美元。这是一笔不小的数目，不过更有意思的是，Helion是一家成立了8年的核聚变创业公司，5个月前其刚宣布把等离子体加热到1亿摄氏度，实现了原本只有政府项目才能做到的壮举。

私人资本大举进入可控核聚变领域，是因为其看到了人们在这一领域研究的进展和曙光。

就在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）放出了一个更重磅的消息——拿到比尔·盖茨、乔治·索罗斯、Google等30位富豪、公司或机构超过18亿美元的融资，超过之前所有核聚变创业公司融资之和。这比美国政府当年给核聚变研究的拨款还多。

在国内，星环聚能、能量奇点等核聚变领域创业公司也都完成了数亿元大额融资。甲子光年在此前《VC拥抱可控核聚变，“人造太阳”何时升起？》一文中进行过详细描述。

一些投资人把当下可控核聚变的创业潮比作2016年的自动驾驶或商业航天，甚至有人喊出“聚变行业的SpaceX时刻”已经到来。

随着私人资本支持下的核聚变创业公司加入，整个行业也热闹起来，而国家队与创业公司的分工越来越明显：国家队“直奔终点”，直接研究大型托卡马克装置，最终建造可控核聚变发电站；创业公司更像“摸着石头过河”，主攻小型托卡马克，开辟新的商业模式——相比ITER之类的庞然大物，小型托卡马克装置的建设速度和迭代效率更优，更加适合创业公司的节奏。

创业公司和私人资本的加入，意味着有人开始思考和探索可控核聚变的商业化之路了。

下一个难关：氚自持

人类目前可控核聚变反应使用氘和氚两种元素进行，氚在高温条件下最容易与氘发生核聚变反应释放巨大的能量。

据称，ITER的第一个实验将使用氢和氘，并且不会产生净输出能量。但一旦它开始运行可以产生能量的DT反应堆，每年将消耗1公斤的氚。

而氚是非常稀有原材料，全球产量大约只有几十公斤，并且氚的半衰期只有12.5年，不适合储存。目前世界上氚的唯一的商业来源是19座加拿大氘铀（CANDU）核反应堆，每座反应堆每年产生约 0.5 公斤的氚，其中一半将在2030年前退役（其中许多反应堆已经运行了50年或更多）。根据ITER在2018年研究计划的预测，目前全球可用的氚库存约为25公斤——将在2030之前达到顶峰，并随着被出售和衰变而开始稳步下降。

研究人员在20多年前就意识到，核聚变的“氚窗”最终会砰然关闭，从那以后情况只会变得更糟。ITER原本打算在2010年代初启动并在十年内结束一个DT反应堆。但由于法国核监管机构要求进行疫情大流行和安全检查，ITER的启动已被推迟到2025年，并且可能再次推迟。ITER最早要到2035年才会点燃DT，届时氚供应已经开始萎缩。

如果没有CANDU反应堆，DT反应堆将是一个遥不可及的梦想。美国核聚变专家Mohamed Abdou曾说过一句话，“世界上发生核聚变最幸运的事情是CANDU反应堆产生氚作为副产品。”

此外，那种理论上可以产生氚的方式，现实中从未在聚变反应堆中进行过测试。Mohamed Abdou和他的同事发现，在最好的情况下，发电反应堆只能产生比其自身燃料所需略多一点的氚，而如果考虑到泄露和停机维护，这多出来的一点点也没法收集到。

按照规划，从2030年代开始，核聚变反应堆将大大增加对氚的需求，每年的需求量将达到2公斤，届时ITER和其他核聚变初创公司计划开始燃烧氚。

根据ITER的预测，一旦ITER在2050年代完成使命并关闭，氚的残留量只有5公斤或更少。EuroFusion研究机构聚变技术负责人Gianfranco Federici也承认，在最坏的情况下，“似乎没有足够的氚来满足ITER之后的核聚变需求”。也就是说，如果ITER顺利地完成了实验，证明了这套装置可以稳定运行输出电力，但是可能人们却没有足够的氚来供应一个真正的核聚变电厂。

因此，另一项有待攻克的关键技术出现了：氚自持。这也是ITER的重要使命。其主要方法是，利用反应产生的高能中子，轰击装置内壁的锂靶，产生氚，再用于支持后续的氘氚反应。也就是说，不需要持续不断地外部注入氚。

核聚变有没有前途，就要看下一个技术突破进展了。

商业化目标：建立以可控核聚变为能源的商业发电站

实际上，ITER是介于当前的等离子物理实验装置和未来的核聚变发电站之间的一个试验性步骤，其目标是要建造第一个可自持燃烧的核聚变实验堆。

而业内对可控核聚变商业化几乎达成共识的共同目标是：建立以可控核聚变为能源的商业发电站。

前述美国CFS公司在募集了18亿美元资金后，已计划在美国建立一座核聚变反应堆SPARC，占地将近47亩，预期在2025年实现商业核聚变发电。

SPARC核聚变反应堆会采用托卡马克技术路线，通过强大的磁场控制上亿度高温的等离子体，但是CFS公司表示他们的反应堆不像其他托卡马克装置那样使用成本高昂的材料，足够低成本下依然能创造出强大的磁场约束装置。如果2025年SPARC核聚变反应堆能够成功商业发电，CFS公司计划在全球建设1万座200兆瓦的核聚变发电厂，足以取代几乎所有化石能源发电厂。但这一美好的设想，目前并没有看到令人振奋的进展。

在国内，2021年9月，中科院等离子体物理研究所所长宋云涛在接受媒体采访时称，他们已经开始做未来核聚变发电站的工程设计，希望在国家的大力支持下，在10年内建成小的示范工程，真正实现核聚变堆发电。

对于核聚变发电站的时间表，美国提出2035年至2040年在能源部和企业试点核聚变发电站发电；英国提出2040年实现核聚变能源商业化；中国也有自己的路线，会在2060年前建成核聚变电站并广泛应用。

更大的未来：能源产业从“支撑”转向“调控”

按照乐观派估计，人类至少还要花200年左右的时间，才能完全掌握可控核聚变技术，到那时，人类社会将彻底摆脱能源危机，能源将会成为这个星球上最廉价的商品。

在可控核聚变实现商业化运行后，能源产业将发生一个翻天覆地的变化：能源的主要定位将从支撑经济社会运行转向调控科技和产业有序发展，避免科技失控和产业失控。

当下，随着科技创新的加快，其带来的伦理、环境、社会、公共安全等多方面风险也逐渐显现，比如AI威胁、非法基因编辑等等。当各项前沿技术所涉及的能量级数和空间尺度，以越来越快的速度脱离人类社会的抵御和承受范围，这些技术之间的灵活组合和相互促进也快速缩短了其从理论雏形发展到实际应用所需的流程和时间。在可预见的未来，任何形式的科技和产业失控事件都可能给人类社会带来措手不及的灾难性影响。

为此，就需要在科技和产业创新活动中的源头、关键环节建立起一道安全防线。然而，现有的科技风险评估和安全监管体系面临两方面问题：一是监测对象没有下沉到具体的仪器设施设备，无法及时获取科技领域高度复杂和动态的风险信息和异常情况；二是对以能源为代表的创新要素的调控还处于非常粗放的状态，无法对其进行及时精准的调控。

针对上述问题，有学者提出，提出构建以能源免疫系统、能源神经网络和毛细化供能技术为基础的模块化供能产业，实现点对点地监测用能设备的程序运行情况和能源使用情况，并根据程序运行和能源使用是否异常来点对点地精准调控对用能设备的供能过程。

想象的尽头：可以随时随地获取星际能量

文明的等级，来自于它获取和利用能量的能力。

1964年，苏联天文学家尼古拉·卡尔达肖夫基于文明可用的能量，将文明技术的先进等级划分为三类：

类型I ：该文明是行星能源的主人，这意味着他们可以主宰这颗行星以及周围卫星能源的总和；

类型II ：该文明能够收集整个恒星系统的能源；

类型III ：该文明可以利用银河系系统的能源而为其所用。

截止2018年，人类文明为0.728级。

如果人类掌握了太阳能量的方法——核聚变能源，也即开启了星际文明的时代。

地球上的能量主要是地球形成之时的核物理能，以及46亿年来地球接收的来自太阳的能量。未来当人类想要实现星际穿越，就需要进一步考虑，如何使用宇宙空间中的能量、如何就地取材，探索的星球本身的能量。

利用可控核聚变技术进行星际旅行，是目前人类理论知识体系中最现实的方案，因为核聚变的燃料在宇宙中大量存在，每一个恒星系都可以成为一个“加油站”。因此，如果人类想要实现星际旅行，至少要掌握可控核聚变技术。

至此，已经分不清现实与科幻，就像刘慈欣在《三体》小说中提到，可控核聚变和太空电梯是行星防御和宇宙航行的两项起步技术，而这些已在现实中隐隐对应。

最后，用《三体》中的一句话作结：

人类文明的航船已经孤独地驶到了茫茫的大洋中，举目四望，只有无边无际的险恶波涛，谁也不知道，彼岸是不是真的存在。

本文来自微信公众号：甲子光年 （ID：jazzyear），作者：刘景丰