編者按:本文作者「險峰創」。
36氪經授權編輯釋出,文內觀點不代表媒體立場。
科技圈裡一直有個著名笑話,說你在任何時間去問科學家,可控核聚變啥時候能實現?
得到回答永遠都是:“還有30年”。
這個段子與其說是調侃,不如說是遺憾。
科學的進步總有曲折,但似乎還沒有一個行業可以像可控核聚變一樣,在帶給我們如此多的希望與失望,歷經半個多世紀的“跳票”之後,還能依然被津津樂道。
它之所以承載人類如此之多的美好想象,在於可控核聚變具有儲量幾乎無限、清潔零碳等諸多優點,也被視為
解決一切能源問題的“終極方案”
。
儘管距離實用尚有距離,但在業內人士的眼中,近年來可控核聚變技術不僅沒有停滯,反而一直在取得令人欣喜的進展,甚至可以說是進展神速。
舉個國家隊的例子:
2018年,中國“人造太陽”EAST首次實現1億度電子溫度,達到了核聚變反應的目標溫度。
2020年,EAST在1億度下成功執行20秒;
2021年,EAST實現
可重複
的1。2億攝氏度101秒和1。6億攝氏度20秒持續執行,將時間延長了5倍,同時創造新的世界紀錄。
在險峰看來,可控核聚變在科學上已經完成了最艱難的從0到1突破,我們其實已經站在了通往終極能源變革的前夜:
作為人類未來的終極能源,「可控核聚變」屬於典型的
“成功收益遠大於失敗損失”
,天然適合風險資本參與。
過去10年,隨著高溫超導材料和反應堆外形結構的進步,可控聚變最困難的階段已經過去,
商業化的確定性大幅增加
。
近年來聚變裝置緊湊化、小型化的發展趨勢,為商業資本的進入提供了可能。特別是2020年以來,
全球商業資本對可控核聚變的投資正在肉眼可見的提速
,預示著這場終極能源之戰或許即將進入決賽圈,
中國科技創業者們註定不該、也不能缺席
。
在本篇裡,我們將透過可控核聚變發展過程中的底層技術和關鍵突破,嘗試探討這個賽道的機遇、挑戰與投資機會。也希望大家繼續關注險峰,與我們一起持續學習。
核聚變:人類能源的終極解決方案?
一切的開始,始於一位叫做愛因斯坦的瑞士專利局職員,某天摸魚時在辦公桌上寫下的那個著名公式:E=MC²
這大概是整個20世紀科學史上最牛逼的降維打擊——要知道在當時,物理學家們都是在牛頓的能量守恆體系裡捲來捲去,但是愛因斯坦走過來告訴所有人:
別瞎想了,
核聚變:人類能源的終極解決方案?
。
如此驚世駭俗“四兩撥千斤”的原理,不僅震驚了學術圈,也讓世界各國立刻察覺到了巨大的機會。
因為E=MC²裡的C代表「光速」,寫出來是300000000。換句話說,愛因斯坦預言了這樣一個事實:
能量就是質量,質量就是能量,都是一回事
。
物質任何微小質量的損失,都會釋放出極其巨大的能量
。
於是,圍繞著如何讓質量發生損失,學界也自然而然分成了兩派。
一派的想法是,可以把一個大原子分裂成兩個小原子,這就是所謂的
而人類迫不及待地想要得到這些能量
;於是廣島原子彈一聲巨響,人類從此進入了核子時代。
而另一派的想法,是把兩個小原子壓縮成一個大原子,即所謂的
「核裂變」
;1933年,英國人使用粒子加速器轟擊氫的同位素氘,初次驗證了核聚變的可行性。
深受鼓舞的科學家們再接再厲,最終在1952年成功實現了核聚變的首次“大規模應用”——引爆了世界上第一顆氫彈。
勝利的曙光似乎正在向人類招手。
事實上,當時人們的樂觀情緒也不無道理,因為與核裂變相比,核聚變有3個顯而易見的巨大好處:
首先是「效率極高」。
「核聚變」
,高出核裂變幾個數量級。比如100公斤核聚變燃料產生的能量,大約抵得上5噸核裂變燃料或者35萬噸煤。
第二是
核聚變是地球上已知可以產生出的最高能量
。地球表面70%是海洋,海水裡的氘作為聚變燃料,足夠全人類用上幾十億年。
第三是「安全環保」。公眾之所以“談核色變”,是因為鈾、鈽這類重原子在自然環境下會衰變,釋放出能量和放射性物質,需要人為控制反應速度。
換句話說,核裂變反應是“開始很容易,但停下來很難”,稍不注意就會釀成切爾諾貝利那樣的重大事故;而核聚變正好相反,是“開始很難,但停下來很容易”,任何一個條件達不到,聚變反應都不會發生。
此外,核聚變跟太陽的原理相同,因此
「原材料幾乎無限供應」
,可以從根本上解決人類的能源問題。
幾乎沒有汙染,也沒有任何碳排放
理想很豐滿,但現實很骨感。人類70年前就點亮了核聚變的科技樹,但直到今天,“可控”兩個字依然還沒實現。
之所以會如此困難,是兩個小原子要想碰撞出一個大原子,必須同時滿足三個條件:
溫度足夠高(模擬出類似太陽內部的環境,讓原子達到等離子狀態)
密度足夠大(這樣才能撞到一起)
持續時間足夠長(碰撞的次數足夠多)
這三大要素合在一起,稱為
“可控”兩個字有多難?
,缺一不可。
於是第一道難題來了——到哪去找一個這樣的容器,能裝下這些高溫等離子,且自身不會“融化”?
最後還是蘇聯人想出瞭解決方法:用磁場。於是,一個類似於甜甜圈的
“可控”兩個字有多難?
(Tokamak)裝置被髮明瞭出來。
(圖表:託卡馬克裝置示意圖)
它的原理也很簡單:先給電磁鐵通電,讓炙熱的氘氚離子流懸浮在空中,然後沿著中間的圓環“繞圈圈”。
這就像一臺巨大的“洗衣機”——高溫離子在一個虛擬的“滾筒”裡旋轉,互相碰撞並引發聚變反應。
從這個角度來說,託卡馬克裝置對人類最大的貢獻,是把核聚變這個
「勞森判據」
。
從此,「勞森判據」也被轉化成了三個非常具體的指標:約束性、磁場強度和裝置尺寸。
理論上,後來者們只需要
「託卡馬克」
,努力提升這三個指標的效能即可。
「物理學問題」變成了一個「工程問題」
相比於另外兩個指標,增加尺寸總是最為簡單粗暴的辦法,這也是為什麼早期核聚變裝置都做得很大的緣故。
但由此帶來的問題就是
不斷改進材料、結構和工藝
。
比如,位於法國、今天世界上最大的核聚變反應堆ITER,高30米,佔地面積180公頃,從2006年開始建設,到現在已經花費了240億美元,依然還沒有完工。
動輒千億的資金投入和數十年的建設週期,顯然不利於技術的快速迭代和商業化運營。於是近年來,大家破題的思路又重新回到了提升「約束性」和「磁場強度」上。
事實上,無論是給電磁鐵通電,還是把原子加熱到離子狀態,本身都需要耗費巨大的能量。一座反應堆只有實現
Why Now:底層技術有哪些進展?
才具有經濟意義,而這兩者的比值被稱為「Q值」。
遺憾的是,目前業內的最好成績來自英國的JET,Q值也僅為0。67。
換句話說,直到今天,也沒有任何國家或團隊真正實現了聚變能量的
Why Now:底層技術有哪些進展?
(即Q>1);這也是多年來,可控核聚變被輿論詬病的主要槽點之一。
不過按這個邏輯反推——要想實現聚變能源商業化其實也很簡單,
成本過高
:一是磁場,二是加熱。
幸運的是,在科學家們的努力下,目前這兩大領域都已經取得了不小的進展,其中最有代表性的是2010年前後,
"輸出的能量>輸入的能量"
的突破。
早期反應堆的磁場效率很低,一個重要原因是當時的磁線圈都是
「正輸出」
的。為了保證電流密度和磁場強度,就必須纏得特別粗,結果就是非常佔空間,而且大部分能量都被轉化成熱能浪費掉了,長時間執行甚至會燒燬線圈。
但是近幾年,隨著以YBCO為代表的新材料不斷應用,新一代聚變裝置普遍開始換裝更先進的高溫超導線圈;這些線圈的電阻為0,電流通過幾無損耗,從而極大改善了Q值。
另一方面,超導材料也促進了託卡馬克
只需要把兩塊成本降下來
。
過去可控核聚變的研究進展之所如此緩慢,和託卡馬克本身的設計不無關係。
“甜甜圈”結構雖然經典,但執行起來卻非常難以控制,因為磁場和離子流的輪廓都是極其不規則的——越靠近外部邊緣,約束能力也越弱。
因此,如果單從「約束性」上考慮,「球型託卡馬克」其實要遠高於傳統的託卡馬克設計。
(圖表:球形託卡馬克比環形的約束性更好;資料來源:星環聚能)
然而球形設計的最大問題,是「中心柱」的空間實在太小了,無法容納線圈和中子遮蔽層,因此過去多年都是被業界束之高閣,直到2010年後,超導材料技術改變了遊戲規則。
試驗表明,高溫超導材料在25T磁場下,臨界電流密度依然非常很可觀——這意味著在同等磁場強度下,超導線圈的體積可以做得很小,小到可以塞進中間柱裡。
換句話說,採用超導材料+球形設計的聚變反應堆,
「高溫超導技術」
,這就為Q值的進一步提升提供了空間。
目前在這一領域,跑得最快的是一家英國科技公司Tokamak Energy(託卡馬克能源公司)。
早在2017年,Tokamak Energy就建成了全球第一座球形託卡馬克反應堆,並且在今年實現了1億攝氏度的反應溫度閾值(即太陽中心溫度),開創了私人資本資助的核聚變研究的里程碑,
銅製
。
「外形結構」的改進
按照聚變工業協會 (FIA) 和英國原子能管理局2021年釋出的報告,目前全球已經有30多家從事聚變技術的私營科技公司;其中,18家已公開融資資訊的企業共計獲得了超過24億美元的投資,
理論上只需要很少的能量,就可以實現比過去更好的約束效能
。
不過,這個資料可能已經落後於資本市場的真實反應。因為就在報告發布的不久之後,美國核聚變初創公司CFS(Commonwealth Fusion Systems)就宣完成了B輪18億美元的大額融資。
而整個專案的總花費只有5000萬英鎊
,投資方來自比爾蓋茨、索羅斯、老虎環球基金、谷歌的母公司Alphabet、Marc Benioff、DFJ Growth等一眾金融巨頭。
(圖表:CFS融資歷程;資料來源:鯨準)
要知道CFS僅僅成立於2017年,前身是一個脫胎於麻省理工學院的學生專案——當時幾位MIT學生受到鋼鐵俠胸前動力核心的啟發,於是想到要製造出一款最小化的核聚變產品。
作為物理學的最高殿堂之一,麻省理工在磁約束方面一直具有很強的技術積累,經過幾年的研究,CFS順利藉助高溫超導技術,成功將聚變反應的磁場強度提高了幾十倍。
2021年9月,CFS的研究團隊透過對一塊10噸重的D型磁鐵緩慢充電,成功實現了20特斯拉(T)的磁場強度。
還記得前面那個「勞森判據」嗎?產生核聚變的三要素:約束效能、磁場強度和尺寸——這三者可以近似地理解為
我們是否已經站在通往終極能源的前夜?
。
比如同樣的輸出功率下,磁場強度每增加1倍,對離子流體積的要求就可以減少16倍。
換句話說,磁場強度和約束性的提升,意味著新一代反應堆可以做得更小,或者溫度不需要那麼高(1億度即可)。
我們是否已經站在通往終極能源的前夜?
。
比如,著名科學期刊《自然》雜誌就在2021年11月發表了一篇長文,叫《核聚變能源或指日可待》,講的是目前全球30多家科技企業正開展激烈的競爭——看誰能成為歷史上第一家實現可控核聚變商業化的公司。
此外,今年《麻省理工科技評論》選出的“2022全球十大突破性技術”中,「實用型聚變反應堆」也和「電網儲能電池」「碳捕工廠」一道上榜——對於該技術的“可實現時間”,文章給出的判斷是
且幾乎全部來自商業資本
。
這是迄今為止核聚變領域最大的單筆融資
(圖表:2020年以來,風險資本對可控核聚變的投資明顯提速;資料來源:公開資料,險峰整理)
因此,儘管那個“還有30年”的老梗依然存在,
相乘關係
。比如CFS背後站著的是比爾蓋茨和索羅斯,而去年剛剛完成E輪融資的General Fusion,大金主則是亞馬遜的貝索斯。
總而言之,老錢們正在爭相拿出比過去多得多的真金白銀,來爭奪這張“人類未來終極能源”的入場券,而背後的邏輯也很簡單,就是“
總之無論哪一點,都意味著反應堆造價的指數級下降,這就為商業資本的進入提供了空間
。
可控核聚變對於人類的意義,基本可以等同於火對於原始人的意義(甚至更高)。
因為一旦成功,意味著人類從此獲得了幾乎無限的清潔能源——糧食、水以及一切以能源為載體的工業品價格將下降到可以忽略不計。
此外,傳統化石能源無法支援遠距離星際旅行,而掌握可控核聚變的人類才有可能飛出太陽系成為星際文明,真正擺脫內卷和存量博弈的陷阱。
不誇張地說,到那時整個人類文明都會出現一次巨大升級。
面對這場決定命運的終極競賽,中國的創業者們自然不會缺席,險峰也在今年投資了一家中國商業聚變能科技公司「星環聚能」,其技術源自在球形託卡馬克領域擁有20年經驗的清華大學工程物理系核能所聚變團隊。
目前公司4000㎡的一期實驗基地已於6月破土動工。改造完成後,第一代重複重聯球形託卡馬克(0號裝置)也將開始組裝並點亮;未來透過重複脈衝執行,最終型號的理想Q值有望達到6以上。
總之,全球資本對於可控核聚變的這場“用腳投票”,似乎已經印證了一場能源革命奇點的臨近,不過歷史的詭異也恰好在於,只有回看時才會發現我們身在歷史之中——就像此前電動汽車和商業航天一樣。
或許多年之後,我們才會意識到,在2022年的那個夏天裡,“中國商業核聚變元年”已經悄然到來。
本文來自微信公眾號“險峰創”(ID:xianfengk2vc),作者:險峰創,36氪經授權釋出。