核聚變反應堆內(nèi)部構(gòu)造（來源：美國能源部）

美國科學家在被譽為“人造太陽”的核聚變能源領(lǐng)域，取得重大科學技術(shù)突破，使我們離近乎無限清潔能源的潛在來源又近了一步。

北京時間12月13日23點，美國能源部和美國國家核安全局（NNSA) 聯(lián)合宣布，加州勞倫斯利佛摩國家實驗室（LLNL）科學家采用“慣性約束聚變”方法，即用世界上最大的激光撞擊一個微小的氫等離子體顆粒，使用實驗性質(zhì)的核聚變反應爐，在過去兩周的一次可控聚變實驗中實現(xiàn)聚變點火，獲得了“能量凈增益”（Net Energy Gain）（Q＞1）。

美國能源部表示，本次國家點火裝置（NIF）通過192束激光器，將超過200萬焦耳的紫外線能量傳送到一個微小的燃料顆粒，以產(chǎn)生聚變點火，目標提供2.05兆焦耳 (MJ) 能量，從而超過聚變閾值，以產(chǎn)生3.15兆焦耳的聚變能量輸出。

據(jù)媒體報道，整個實驗設(shè)施耗資35億美元，最新實驗數(shù)據(jù)分析仍在進行中。

這一技術(shù)成果有三大里程碑式突破：首次證明了慣性聚變能 (IFE) 的基礎(chǔ)科學能力；美國正朝著核聚變發(fā)電廠建造，以及無限、零碳能源的目標邁出了關(guān)鍵一步；有望應對世界能源價格高企和迅速減少化石燃料燃燒的需求。

今年12月5日，LLNL國家點火設(shè)施的靶室正在產(chǎn)生聚變點火（來源：美國能源部，圖片略經(jīng)調(diào)色）

“這是偉大的一天，這項成就將載入史冊，”美國能源部長格蘭霍姆（Jennifer Granholm）表示，這是一項具有里程碑意義的成就。NIF研究人員和工作人員讓聚變點火成為現(xiàn)實，無疑將激發(fā)更多發(fā)現(xiàn)。她還指出，這一研究工作將幫助我們解決人類最復雜和最緊迫的問題，比如提供清潔能源來應對氣候變化，以及在沒有核武器的情況下維持核威懾力測試。

“這次美國的點火裝置實現(xiàn)了輸出大于輸入，因輸出有聚變能，輸入的是激光能量。實驗成功的標志就是出大于入。所以，這次是一個進展，他們要發(fā)布的就是這個。但離商用能源還遠，主要因為總的效率太低，他們肯定拿能源說事?！币晃毁Y深核物理學家如此評價，“中國也在做類似工作，目前進展全球范圍中美領(lǐng)先，應該說是美國走在我們前面。”

實際上，相較于美國，中國在可控核聚變方面已多方位布局，實現(xiàn)了世界領(lǐng)跑。今年10月，中國“人造太陽”裝置的等離子體電流突破100萬安培，創(chuàng)造新紀錄；國內(nèi)多家核聚變研究的民營企業(yè)今年獲得了風投機構(gòu)的青睞，紅杉中國、藍馳創(chuàng)投、中科創(chuàng)星、蔚來資本、聯(lián)想之星等機構(gòu)早已跑步進場。

作為全球最重要的兩大經(jīng)濟體，在未來凈核聚變、零碳共同目標下，中國和美國正就“可控核聚變”領(lǐng)域展開技術(shù)創(chuàng)新競爭。過去這一年，中美等全球資本向這一領(lǐng)域投資也已接近200億元，較上一年比增長了139%。

投資超1300億，研究核聚變的作用是什么？

實際上，隨著化石能源日漸稀缺，以及降低溫室氣體排放等碳中和碳達峰目標，利用核反應產(chǎn)生能量的核能和平開發(fā)利用逐漸受到重視。

據(jù)國際原子能機構(gòu)給出的定義，“核聚變”是模仿太陽的原理，使兩個較輕的原子核結(jié)合成一個較重的原子核并釋放出巨大能量的過程。核聚變產(chǎn)生的能量非常大——是核裂變反應的四倍。

理論上，只要有幾克反應物，就有可能產(chǎn)生一太（萬億）焦耳——這大約是發(fā)達國家的一個人在60年內(nèi)所需要的能量。

（圖片來源：國際原子能機構(gòu)）

盡管許多科學家認為核聚變發(fā)電站還需要幾十年的時間，但這項技術(shù)的潛力不容忽視。

與化石能源相比，核聚變反應不排放二氧化碳。而與目前廣泛應用的核能（核裂變）相比，核聚變不會產(chǎn)生核廢料，輻射也極少，理論上可以至少為一所房子提供數(shù)百年的電力。

核聚變是大自然最普遍的能量來源。一旦能夠?qū)崿F(xiàn)可控的核聚變，人類將獲得幾十億年取之不盡的能源，其重要性不言而喻。因此，核聚變技術(shù)被視為清潔能源的“圣杯”。

自20世紀50年代以來，物理學家一直試圖利用為太陽提供動力的核聚變反應，但沒有一個小組能夠從核聚變反應中產(chǎn)生比其消耗更多的能量。

過去的幾十年里，熱核聚變研究形成了兩大技術(shù)分支：一是磁約束聚變，主攻方向是托卡馬克裝置，比如中國的東方超環(huán) (EAST) 、國際熱核聚變實驗堆(ITER)等裝置；另一研究分支是慣性約束聚變，包括激光聚變、輕重離子束聚變及其它裝置。

1985年，作為結(jié)束冷戰(zhàn)的標志性行動之一，時任美國總統(tǒng)里根和蘇聯(lián)領(lǐng)導人戈爾巴喬夫在瑞士日內(nèi)瓦峰會上倡議，由美國、蘇聯(lián)、歐洲、日本共同啟動ITER計劃，以攜起手來探索人類未來核能和平利用。

2001年11月，ITER計劃實施的談判開始，中國也開始與三方接觸。2003年，中國和韓國加入該計劃。

ITER組織成員國合影

直到2006年11月，ITER計劃的投資方國家才最終確定——中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共七方聯(lián)合投資建造，計劃2025年實現(xiàn)第一次等離子體放電。而2020年8月，ITER聚變設(shè)施的組裝啟動儀式正式在法國舉行。

截至目前，ITER計劃是當今世界規(guī)模最大、影響最深遠的國際大科學工程之一，目的是通過建造反應堆級核聚變裝置，驗證和平利用核聚變發(fā)電的科學和工程技術(shù)可行性。

在高達180億歐元（約合1324.34億元人民幣）的項目總投入中，歐盟作為東道主出資45%，美國、中國、日本、俄羅斯、印度和韓國各出資9%。

根據(jù)規(guī)劃，ITER的工廠將產(chǎn)生大約500兆瓦的熱能，如果持續(xù)運行并與電網(wǎng)相連，這將轉(zhuǎn)化為大約200兆瓦的電力，足以供應大約20萬個家庭。最終目標是要建造一個可自持燃燒（即“點火”）的托卡馬克核聚變實驗堆，以便對未來聚變示范堆及商用聚變堆的物理和工程問題作深入探索。

ITER結(jié)構(gòu)圖（圖片來源：券商研究報告）

ITER裝置運行與發(fā)展大體分為三個階段：

第一階段：主要目標是建設(shè)一個氘、氚燃燒能產(chǎn)生5×105 kW聚變功率、聚變增益系數(shù)Q=10、脈沖維持大于400s的托卡馬克聚變堆，將產(chǎn)生與未來商用聚變反應堆相近的氘、氚燃燒等離子體，供科學家和工程師研究其性質(zhì)和控制方法；第二階段：將探索實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束、高性能“先進燃燒等離子體”，聚變增益系數(shù)Q=5、脈沖維持大于3000s，從而更快建造托卡馬克型商用聚變堆。第三階段：探索實現(xiàn)高增益的燃燒等離子體，接近商用聚變堆的建造目標；以及包括進一步研究和發(fā)展能直接用于商用聚變堆的相關(guān)技術(shù)。據(jù)媒體報道，美國、印度近幾年已經(jīng)不再向ITER計劃投資，只給了國內(nèi)采購包的經(jīng)費，普遍預計這一設(shè)施進展將被推遲。目前，ITER計劃已匯集了全球35個國家力量，這些國家占世界人口的60%以上，占全球國內(nèi)生產(chǎn)總值的80%以上。

美國計劃2035年建造核聚變發(fā)電廠

盡管ITER計劃已經(jīng)囊括全球大部分國家和機構(gòu)，地球上的很多人都能在其中獲得未來無限能源分享。但是，有實力的發(fā)達國家和發(fā)展中國家都希望在這場“核聚變競爭”中獲得技術(shù)領(lǐng)先，因此，美國等50多個國家開始單獨開展核聚變和等離子體物理相關(guān)技術(shù)研究。

根據(jù)國際原子能機構(gòu)公布的數(shù)據(jù)顯示，目前全球在運營的核聚變裝置有96座，在建的核聚變裝置有11座，計劃建設(shè)的裝置則有29座。其中，公共事業(yè)機構(gòu)旗下的核聚變裝置總數(shù)為107座，裝置數(shù)量排名前五的國家分別是：美國、日本、俄羅斯、中國和英國。

最近兩年，作為核聚變裝置總量最多的國家，美國開始重視核聚變工程的發(fā)展，并公布了路線圖計劃。

2021年，美國國家科學院、工程和醫(yī)學院聯(lián)合發(fā)布一份93頁的報告《將核聚變引入美國電網(wǎng)》，稱美國將在2035-2040年建造可運行的核聚變發(fā)電廠，并表示到2050年，美國電力公司將全面向零碳發(fā)電進行轉(zhuǎn)變。

美國聚變試驗工廠的開發(fā)和運行路線圖（來源：報告）

為了更好貫徹這份計劃，去年8月，美國政府LLNL團隊宣布產(chǎn)生1.37兆焦耳的能量，是世界上最接近凈能量增益的一次，打破紀錄。

今年早些時候的一場白宮核聚變能源戰(zhàn)略發(fā)布會上，兩黨核聚變能源核心小組主席、國會議員唐·拜爾（Don Beyer）說出了美國要發(fā)展核聚變的原因：“自火發(fā)明以來，核聚變比其他任何發(fā)明都更有潛力使世界上更多的公民擺脫貧困?！?/p>針對此次試驗，據(jù)英國《金融時報》，LLNL的國家點火裝置（NIF）在最近兩周一項使用激光的慣性約束聚變實驗中取得了重大突破，首次實現(xiàn)了聚變反應的凈能量增益，即Q大于1。報道稱，這項實驗的聚變反應產(chǎn)生了大量能量，由于高于預期的能量輸出損壞了一些診斷設(shè)備，后續(xù)分析變得復雜。

美國白宮科技政策辦公室主任阿拉蒂·普拉巴卡（Arati Prabhakar）表示：“一個多世紀以來，我們對核聚變有了理論上的了解，但從了解到實踐的過程可能是漫長而艱巨的。今天的里程碑表明，我們可以堅持不懈（發(fā)力核聚變技術(shù)）?！?/p>倫敦帝國理工學院慣性聚變研究中心聯(lián)合主任Jeremy Chittenden對此評價稱，“這是一個真正的突破性時刻，非常令人興奮”。不過他也表示，盡管從核聚變中獲得凈能量是一件大事，但與為電網(wǎng)供電和為建筑物供暖所需的能量相比，它的規(guī)模要小得多，距離真正的無限能源時間還比較長。

“這相當于燒開10壺水。為了把它變成一個發(fā)電站，我們需要獲得非常多的能源?！盋hittenden表示。

等離子體物理學家Arthur Turrell博士則表示，人類將見證一個歷史時刻?！白?0世紀50年代以來，科學家們一直在努力證明核聚變可以釋放比投入更多的能量，而勞倫斯利弗莫爾的研究人員似乎終于徹底打破了這個幾十年的目標?！?/p>不過，這份研究成果在多家媒體報道之后，在業(yè)內(nèi)的質(zhì)疑聲不斷。一個閱讀量達553萬的相關(guān)知乎問答下，多數(shù)答主認為，美國政府對該研究的技術(shù)成果有所夸大，實際進展不如預期，很難實現(xiàn)商用等。

知乎答主@physixfan表示，此次公布的凈能量增益（Q＞1）是指聚變產(chǎn)生的中子的能量除以輸入的激光的能量之比；而并非輸出電能到輸入電能之比，其中存在能量增益的夸大，兩者能量增益差125倍之多。如果從電能開始算起，而不是從激光能量開始算起，那么NIF實現(xiàn)的能量增益也就0.008而已，并非大于1。他還強調(diào)，NIF作為慣性約束聚變的實驗裝置很難再把成績提高。

另一位知乎答主@趙冷 認為，按照NIF激光器的實際效率和熱機將聚變放出的熱轉(zhuǎn)換為有用功的效率，不計其他問題，這裝置現(xiàn)在的狀態(tài)不可能對外凈輸電?！把b置內(nèi)部充電本身也有損耗，實際能耗更大”，所以他認為整個實驗成果有存在夸大，進展并不如媒體報道的那樣高。

而知乎答主指出，整個系統(tǒng)的輸入能量大于400兆焦，輸出能量小于1兆焦，遠沒達到系統(tǒng)能量正增益的平點。知乎用戶@Quantum1024 則認為，這一實驗所做的慣性約束路線主要的發(fā)展還是軍事用途，而非商用。

設(shè)計師對2050年核聚變反應堆的渲染圖（來源：AL_A for General Fusion）

實際上，相較于核裂變，核聚變雖有眾多優(yōu)點，但目前仍處于研究第一階段。要提高產(chǎn)能，擴大商業(yè)化、普及化，多數(shù)專家認為，最快恐怕得等到2050年。

一年投資近200億，全球VC奔向“人類終極能源”

中國也正在大力研究可控核聚變技術(shù)。

上世紀80年代，中國制定了“三步走”——熱堆、快堆、聚變堆的核能發(fā)展戰(zhàn)略，隨后加入ITER，進一步推動中國聚變能源研究進入國際陣營，主要為建成中國自己的核聚變反應堆做準備。

科技部核聚變中心副主任王敏曾表示，通過參加ITER計劃，中國無論是在聚變技術(shù)上還是國際大科學工程管理上都有大幅度提升?？梢哉f，在ITER七方中，中國是進步最快、加速度最大的一方。

與此同時，1960年開始，中國以“托卡馬克”為主要研究途徑，利用此技術(shù)先后建成并運行三大聚變反應堆：華中科技大學的J-TEXT裝置、核工業(yè)西南物理研究院的HL-2M裝置和中科院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所、素有“人造太陽”之稱的EAST全超導托卡馬克裝置（東方超環(huán)），向ITER提供結(jié)果。

2020年12月，中國新一代“人造太陽”裝置——中國環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）在四川成都的核工業(yè)西南物理研究院正式建成并實現(xiàn)首次放電；2021年12月，中國“人造太陽”EAST成功實現(xiàn)1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行，成為世界上托卡馬克裝置實現(xiàn)的最長時間高溫等離子體運行，打破世界紀錄；2022年10月，中國宣布HL-2M裝置的等離子體電流突破100萬安培（1兆安），創(chuàng)造可控核聚變裝置運行新紀錄，讓中國核聚變研究實現(xiàn)從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越。根據(jù)規(guī)劃，中國以現(xiàn)有中、大型托卡馬克裝置為依托，瞄準國際核聚變前沿課題研究，其在磁約束聚變領(lǐng)域建立了近期、中期和遠期技術(shù)目標：最終到2050年，中國或?qū)l(fā)展聚變電站，探索聚變商用電站的工程、安全、經(jīng)濟性。

中國“人造太陽”裝置負責人、中科院合肥物質(zhì)科學研究院副院長李建剛表示，中國如果從2040年開始建聚變電站，每年建10個，2050年以后一年建20個，到本世紀末就能建1000個，由此可以減少85億噸二氧化碳排放，再加上15%可再生能源，“就可以不用燒煤，也不用擔心能源安全?！?/p>從歷史上看，核聚變能源領(lǐng)域的研究一直是由政府主導、大型公共資助的實驗室完成，比如牛津大學的歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應爐、美國LLNL實驗室等。但近年來，隨著硬科技投資趨勢熱潮來臨，以及中國對新能源的高度重視，一批商業(yè)資本、風險投資開始涌入了核聚變能源的民營公司。

谷歌、高盛、蓋茨基金會、紅杉中國、藍馳創(chuàng)投、中科創(chuàng)星、順為資本、和玉資本、險峰長青、聯(lián)想之星等國內(nèi)外機構(gòu)都已經(jīng)在這一領(lǐng)域布局。

今年2月，探索可商業(yè)化聚變能源技術(shù)企業(yè)“能量奇點”宣布完成近4億元人民幣的首輪融資，米哈游和蔚來資本領(lǐng)投，紅杉中國種子基金和藍馳創(chuàng)投跟投；今年6月，僅成立一年的商業(yè)聚變能研發(fā)公司“星環(huán)聚能”宣布完成數(shù)億元天使輪融資，中科創(chuàng)星等10家知名機構(gòu)參與投資。

“從大環(huán)境來講，很多歐美國家都在關(guān)注核聚變，并且在核聚變領(lǐng)域取得了突破性進展。而傳統(tǒng)方式需要大量專家團隊和費用上的投入。能量奇點團隊利用了新的技術(shù)變革去加速這方面的研發(fā)。團隊具有強大的人才技術(shù)背景與沉淀，通過使用AI和超導材料加速研發(fā)的進度，而且成本也在很大程度上得到削減。”藍馳創(chuàng)投投資總監(jiān)孫登科告訴鈦媒體App，對于投資機構(gòu)來說，如果該核聚變公司的技術(shù)能夠造一個太陽，其想象空間是巨大的。

但據(jù)鈦媒體App編輯統(tǒng)計觀察，中國資本近年布局的規(guī)模，跟全球資本統(tǒng)計數(shù)據(jù)比起來，占有率依然是鳳毛麟角。

根據(jù)核聚變工業(yè)協(xié)會（Fusion Industry Association）公布的數(shù)據(jù)，在截至2022年6月底的12個月里，全球核聚變公司籌集了28.3億美元（約合195.37億元），接近200億元投資，使民營企業(yè)迄今的投資總額達到近49億美元（約合341.9億元）。2022年，資本在這一領(lǐng)域投資數(shù)額比2021年（報告時間）增長139%。

統(tǒng)計的可控核聚變初創(chuàng)公司的成立時間信息

加拿大核聚變公司通用聚變 (General Fusion）的首席執(zhí)行官Chris Mowry曾直言，“聚變行業(yè)的SpaceX時刻”已經(jīng)到來。據(jù)悉，該公司計劃于2025年開始運營，目標是在2030年代初期出售反應堆，希望完成商用產(chǎn)品交付。

多家國外核聚變公司對英國《自然》（Nature）雜志表示，這一技術(shù)遲早會被破解，實用的核聚變似乎一定浮出水面。“公司開始在政府可以建造的水平上展開商用。在不到十年的時間內(nèi)實現(xiàn)這一目標的機會非常大?！?/p>僅2022年，全球核聚變民營企業(yè)數(shù)量達到33家，其中有6家公司的融資額超過了2億美元。

不過，有多位業(yè)內(nèi)專家警告，目前核聚變依然存在標準化工作、資本支持、自主技術(shù)的商業(yè)化應用等問題亟待解決。

首先是標準化工作。今年8月，中國核工業(yè)集團旗下智庫——中核戰(zhàn)略規(guī)劃研究總院有限公司、核工業(yè)標準化研究所工程師團隊在《標準科學》期刊上發(fā)文指出，新形勢下，中國核聚變標準化工作仍面臨系統(tǒng)布局謀劃不足，缺乏頂層設(shè)計和整體規(guī)劃；項目與標準化工作聯(lián)動不夠，技術(shù)轉(zhuǎn)化標準速度慢；平臺優(yōu)勢利用程度不足，國際化交流深度不夠；標準化文化建設(shè)不足，人才隊伍培育機制不完善等問題。

其次是資本支持。相對于物理機制研究，目前可控核聚變大型實驗裝置需要大量資金，而政府資金支持不夠是民營企業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。事實上，美國對于聚變的經(jīng)費投入在過去幾十年來基本維持不變，通脹調(diào)整后呈現(xiàn)逐年遞減。而本來最有希望的ITER項目，則由于國際合作齟齬以及工程一再延期，給這一行業(yè)未來蒙上陰影。

核工業(yè)標準化研究所團隊在論文中建議，中國應聚焦核聚變領(lǐng)域發(fā)展需求，完善核聚變標準化頂層設(shè)計，加強重大科技項目與標準化工作聯(lián)動機制，加強國際交流，積極開創(chuàng)核聚變國際標準化工作，探索標準成果轉(zhuǎn)化和應用示范，加強標準化人才隊伍建設(shè)等。

“中國的聚變能發(fā)展路線圖已初見端倪，核聚變標準作為中國早日實現(xiàn)獨立自主大規(guī)模建設(shè)聚變電站的技術(shù)儲備，仍需不斷深化和發(fā)展?！鄙鲜鰣F隊強調(diào)，中國科技創(chuàng)新實力正不斷飛躍與突破。（本文首發(fā)鈦媒體App，作者｜林志佳）