可控核聚变：离风投更近、离现实多远……还不好说丨TECH TUESDAY
去年全球核聚变创业公司就融了 34 亿美元，7 倍于美国政府核聚变研究开支。
文丨贺乾明
编辑丨黄俊杰
1930 年，经济学家约翰·凯恩斯（John Maynard Keynes）刊发了一篇短文[1]，预言说一百年后，人们不再需要为生计操心，每天只需要工作 3 小时。
尽管前一年爆发的大萧条正在碾碎全球经济、纳粹被选为德国国会第二大党，但凯恩斯保持着一贯的乐观。他认为所有的崩坏都只是发展的阵痛，预言 19 世纪到 20 世纪不断爆发的科学发现与技术发明将重塑世界。
现在距离凯恩斯的设想只剩 8 年，没有哪个国家，普通人可以奢望每周工作 15 小时就过上不错的生活。
要说科技的进展有哪里让凯恩斯失望，能源技术似乎是显而易见的问题。能源价格正在显著增加全球的生产、生活成本。西欧天然气价格涨了 160%，根据媒体测算 [2]，一个德国四口之家一年的取暖费就涨到了 4048 欧元（约 2.75 万元人民币）。而中国正在经历一场多年未见的电力供应短缺，95 号汽油也一度涨到了每升 10 元——开车 10 公里光油费就比外卖费高。
即便不考虑战争影响，2021 年全球消耗的电力也比前一年多了 6%。光填补这个缺口，需要世界上的太阳能设备数量翻一倍，或新建超过 200 个核裂变反应堆，扩大核泄漏的风险。如果用煤炭填补缺口，人类一年得多烧 1.8 亿吨煤，向大气中排放约 5.3 亿吨二氧化碳，让地球变得更燥热。
如果用可控核聚变，理论上需要的燃料重量只有煤炭的 1/10000000，不会排放二氧化碳，也不会像现在的核裂变发电站那样，可能泄漏危害环境上百年的辐射物质。
“当社会需要核聚变技术的时候，核聚变就能实现。”1950 年代，苏联的核物理科学家列夫·阿尔茨莫维奇（Lev Artsimovich）这么说道。
今天社会显然需要可控核聚变这样奇迹般的技术。能不能实现不好说，但投入这番事业的人和资本前所未见。
全球现在有 30 多家核聚变创业公司。据 PitchBook 统计，2021 年全球核聚变创业公司融了 34 亿美元（约合人民币 230 亿元），是同期美国政府核聚变研究预算的近 7 倍，也远高于美苏两国在冷战期间每年为此投入的经费。
出资最多的不再是大国政府，而是富人和风投机构。他们希望用更多钱、更高的效率，解更难的题。
在中国，今年连续出现两家天使轮融资过亿的核聚变创业公司，一个是清华大学核聚变团队参与创办的星环聚能，6 月从顺为、昆仑、险峰、红杉等 10 多家风投筹集了数亿元，之后就请工人 24 小时三班倒建第一个实验用的场地。
另一个是能量奇点，今年 2 月，从米哈游、蔚来资本、红杉和蓝驰筹集近 4 亿元，现在与中国核工业西南物理研究院签了协议，一起开发核聚变装置。
我们还了解到，还有一个新组建的核聚变团队正拿着商业计划书找投资人筹集上亿元资金。
投身于此的一些创业者和投资人相信，美国民营航天的今天，就是可控核聚变的明天，行业里一定会出现 SpaceX。
不过 SpaceX 2002 年成立的时候，距离加加林进入太空 40 多年、阿姆斯特朗登月 30 多年。SpaceX 的大部分进展是以更低成本解决 NASA 解决过的问题。而核聚变是大国政府努力半个多世纪也没能突破的难题。
原理早已清楚
技术上怎么实现也在 60 年前就已明晰
早在造出原子弹的曼哈顿工程启动前，科学家们已经掌握了核聚变的原理：两个轻原子核（比如氘氚）结合在一起，会释放巨大能量。
实践验证在 1952 年完成，第一颗氢弹在太平洋上的一座美国无人岛爆炸，威力相当于投向广岛的原子弹的 500 倍。
问题是，轻原子核都携带正电，天然相互排斥。想让两个原子核碰撞、结合，需要合适的条件。首先得以 1 亿摄氏度的高温将它们变成等离子体（液体、固体、气体之外的物质形态），这样才能克服斥力、让原子核结合在一起产生核聚变。
为了达到这样的条件，氢弹需要用原子弹来引爆。但要控制核聚变来发电，只能用更温和的方式。
已经有一些装置成功将等离子体加热到 1 亿摄氏度以上，但能坚持的时间不长，大多是几十秒。中国的 “东方超环”（EAST）去年创造了世界纪录，等离子体 1.2 亿摄氏度运行了 101 秒。
原子核之间的斥力消失后，新的问题会紧跟着出现。等离子体极度不稳定，就像不停翻腾的高温带电气体。反应堆需要将等离子体良好地压缩在一个有限的空间（Plasma Confinement），才可能让原子核频繁碰撞、持续释放能量。
一位研究了 20 年核聚变的专家对《晚点 LatePost》说，等离子体 “研究起来就是个无底洞”，会发生许多复杂的物理现象，目前还没有模型可以精确预测等离子体如何运动，只能想办法通过外力压缩它。
持续最久、目前看着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。
图：现在最大的托卡马克装置 JET 的内部构造。托卡马克是 “带有电磁线圈的环形真空室”，名字来自环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、 线圈（kotushka）这四个俄语单词的缩写。来源：JET
原子被送进甜甜圈一样的真空环形通道，微波加热为等离子体。通道的每个方向都被不同形状的磁性线圈包裹。这些线圈通电后形成磁场，将 1 亿摄氏度的等离子体压缩至一定密度、变成高速螺旋。
如果高温能维持，等离子体按照设想保持高密度，核聚变就能可控地持续发生，一个与现有核电站功率相当、并且几乎没有任何放射性污染风险的超级核电站就诞生了。
自托卡马克装置诞生 60 多年来，人造核聚变最长一次只持续了 5 秒。
超级大国主导核聚变研究
但经费随着冷战结束而枯竭
目前地球上最大的托卡马克装置是欧洲联合环（JET），由多个欧洲国家出资建造，位于英国，外圈半径 3 米，真空室高 4 米。它的目标是让核聚变得 “经济”。
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。
科学家们以 Q 值指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，一次实验中，Q 值达到 0.67。维持了不到 1 秒，消耗了大约 9 度电的能量，产生了 6 度电的能量——就这还没算冷却设备和大部分磁场电源等消耗的能量。
去年底，JET 再次实现了核聚变，把氘氚原子加热到 1.5 亿度，维持了 5 秒。期间的聚变反应，释放 59 兆焦耳的能量（相当于 16 度电），但 Q 值只剩 0.33。
JET 建成第二年，一个更具野心的计划被提出。1985 年，刚上任 8 个月苏共中央总书记戈尔巴乔夫与时任美国总统里根会面，讨论如何缓和双方关系。期间苏联提出合作开发 “造福全人类” 的核聚变装置，以减少争夺能源可能引发的国际争端。
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。等离子体环的半径就超过 6 米，是 JET 的两倍。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， Q 值达到 10，每小时用 5 万度电的能量，释放出 50 万度电的能量。届时，可控核聚变距离变成现实近在咫尺。
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。理论上真空室足够大，就更容易用磁力控制离子体。而且大真空室的表面积增加比例小于体积变化，ITER 可以实现效率更高的核聚变。
但这个跨越意识形态的项目诞生没多久冷战就结束了，俄罗斯财力有限、美国政府也在缩减开支 [3]。到 2000 年，美国政府给核聚变研究的拨款只相当于 25 年前的 1/3。
图：冷战高峰后，美国政府缩减核聚变研究预算。
多国合作可以分担成本，但效率也会显著降低，上亿美元的单项预算在绝大多数国家都需要国会批准。结果 1985 年的倡议，拖到 2006 年才正式敲定建设方案，启动项目。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。
到 2013 年，容纳 ITER 的建筑都没有开始建，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，也就是 2035 年，才会进行真正的核聚变实验——距离最初的设想有 50 年。
图：正在组装中的 ITER 托卡马克装置。来源：ITER
最近这几年，ITER 进展本还算顺利，进入最后组装。但今年麻烦又来了，俄罗斯是 ITER 项目的核心参与方之一，负责建造部分磁体。俄乌冲突爆发后，俄罗斯与欧盟关系恶化、欧美制裁俄罗斯，这些都可能影响工程进度。
一位核聚变领域创业者说，从 1950 年代到 1997 年，核聚变研究 “以摩尔定律的速度前进”，之后戛然而止，鲜有实质的进展。
2021 年两笔大额融资
点燃创业和投资热情
ITER 项目波折几十年，让许多对核聚变抱有希望的人感到疲惫，“距离可控核聚变永远还有 30 年” 的调侃在此期间诞生。
大国们推进的时候，私营资本往往不愿意赌这么遥远且不确定的工程突破。据美国核聚变工业协会统计 [4]，1998 年到 2008 年，全球只出现了 5 家民营核聚变公司，平均两年才有一家。
转机在 2021 年。核聚变研究有了新进展、人类也更迫切需要清洁能源，私营资本随即涌入核聚变。
成立 8 年的核聚变创业公司 Helion 在 2021 年 6 月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。5 个月后，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 注资 5 亿美元，创下核聚变领域融资纪录，与美国政府当年给核聚变研究的拨款相当。
这些富人和风投机构允诺，如果 Helion 能继续突破，比如实现核聚变、Q 值大于 1，他们至少再投 17 亿美元。
Helion 的纪录只持续了不到 1 个月。去年 11 月底，从麻省理工学院独立出来 3 年的核聚变创业公司 Commonwealth Fusion Systems（CFS）宣布拿到超过 18 亿美元融资，超过之前所有核聚变创业公司融资之和，是 Helion 募资额的 3 倍多，出钱的是比尔·盖茨、乔治·索罗斯、Google、DFJ、Emerson Collective 等 30 个富人、公司或机构。
投资者们认为 CFS 的突破是前所未有的。CFS 在去年 9 月和麻省理工学院合作测试了世界上最强的高温超导磁体，可以产生强度超过 20 特斯拉（T）的磁场，强度是 ITER 磁场的 1.5~2 倍。
提高磁场强度，是做大托卡马克装置外，另一种提高 Q 值的方法。磁场更强，限制等离子体的能力就强，核聚变效果也会提升。理论上只建小型的托卡马克装置，也能更有效率地产生能量，不再需要像 ITER 那样，耗费大量材料和时间。
而且 CFS 测试用的高温超导材料，都是在市面上公开出售的——一部分来自中国的上海超导公司。其他核聚变创业团队可以快速跟进。
连续两轮大额融资，彻底点燃核聚变创业热情，过去几个月出现的创业公司，比之前任何一个年份都多。中国没有例外。《晚点 LatePost》了解到，能量奇点、星环聚能的创始团队在 2020 年甚至更早就讨论过创业想法，有的成员此前也接触过投资人，但直到美国的同行们宣布拿到巨额融资，他们才踏出关键一步，写商业计划书，推进融资。
投资机构思路也在变。一些风投机构开始招聘物理学博士当投资人，募集投资周期超 10 年的基金，想尽可能提前捕获有潜力的前沿科技创业者。
甚至有投资机构撰文说，“成功收益远大于失败损失” 的核聚变 “天然适合风险投资”。这个当年推动微型计算机、互联网走向大众的行业，过去几年一度痴迷于教培和开餐馆。
核聚变未来市场空间巨大，可风险极高。中国的投资人们一度无法给创业公司定下估值。尽管如此，对于投资了上亿元的公司，他们也没有给出什么营收、盈利期待。
至于未来如何退出，一些投资机构并不担心。参投能量奇点的蓝驰创投投资总监孙登科接受媒体采访时说，“不太愁回报”，因为他觉得国家大概率会让这些有发展前景的创业公司上科创板。
技术不会自动前进
“真的要等到 ITER 变成现实吗？如果它失败了怎么办？” 一位核聚变创业者担心等到 2035 年 ITER 运行会让自己再浪费十年，他认为核聚变研究停滞这么久，“依赖 ITER 这个大项目是原因之一”。
相比之下，创业公司建造一个小型的托卡马克装置，不过是两到三年时间。与 ITER 比，建造周期可以缩短到 1/10。而且不需要一次投入 200 多亿美元，只需要数亿美元就可能验证成败。
这一批获得融资的公司正尝试以不同的方法实现核聚变。
CFS（美国公司，2018 年成立）、能量奇点（中国公司，2021 年成立）计划建小型托卡马克装置，用高温超导材料当磁体，以形成更强的磁场压缩等离子体。CFS 的实验装置预计 2025 年建成。能量奇点宣布和中国核工业西南物理研究院合作，计划 5~7 年让核聚变输出能量超过消耗的能量。
图：CFS 设想的小型托卡马克装置。来源：CFS
Tokamak Energy（英国公司，2009 年成立）和星环聚能（中国公司，2021 年成立）都在建内部为真空球体的托卡马克装置，以改变磁场形态，提高磁场限制等离子体的能力。Tokamak Energy 今年 3 月宣布成功将等离子体加热到 1 亿度，它的新设备将在 2025 年前后建成。星环聚能第一个装置正在组装中。它们都计划使用高温超导磁体。
图：Tokamak Energy 能源的球形托卡马克装置。来源：Tokamak Energy
N.T.TAO（以色列公司，2019 年成立）和 Helical Fusion（日本公司，2021 年成立）尝试建造 “仿星器”，它外形像一个麻花，形成的磁场能更精确地控制等离子体。
图：Helical Fusion 设想的核聚变装置。来源：Helical Fusion
TAE Technology（美国公司，1998 年成立），目标以氢和硼作为燃料，氢硼不会像氘氚聚变那样出现有放射性的中子，可以彻底不用担心辐射问题。但氢硼需要 10 亿度高温才可能实现核聚变，是氘氚聚变的十倍。现在还没哪个公司或科研机构能做到这一点。TAE Technology 正在建造一个圆柱型核聚变装置，测试不用特别强大的磁场就能限制等离子体的方法。获得 Google 投资后，双方合作用人工智能加速核聚变研究。
图：TAE Technology 正在建设的核聚变装置。来源：TAE Technology
First Light Fusion（英国公司，2011 年成立），用类似氢弹爆炸的思路实现核聚变。它们建造的装置是一个 22 米长的圆柱体，将特制的 “炮弹” 以 19 倍音速轰击氘氚制造成的燃料，用惯性冲击制造高温、高压、高密度环境，使氘氚成为等离子体，并发生核聚变。今年 2 月，他们获得 4500 万美元融资，腾讯参投。两个月后，他们宣布完成核聚变。
图：First Light Fusion 实现核聚变的装置 BFG。来源：First Light Fusion
General Fusion（2002 年成立，加拿大公司）计划同时利用磁场和惯性的力量实现核聚变。它的装置中心是一个充满了液态铅锂金属混合物的球体（燃料室），外部有许多圆柱体，数根并成一排与中心的燃料室连接。球体顶部安装有等离子体喷射器，将氘氚等离子体喷射到涡流中心，外围的一根根圆柱活塞运动，影响液态金属形态，压缩等离子体，数十毫秒内形成高压和高温环境，促成核聚变。去年 11 月，General Fusion 完成 1.3 亿美元融资，亚马逊创始人杰夫·贝佐斯参与投资。它在英国建设的工厂预计 2025 年投入运营。
图：General Fusion 正在英国建设的装置。来源：General Fusion
Helion Energy（2013 年成立，美国公司），目标是完全从海水中提取氘元素，用氘与氘元素形成的氦 -3 混合物作为燃料实现聚变，避免产生有辐射的中子。它的装置也同时使用磁场和惯性。它计划直接借助等离子体的磁场与周围的磁场结合发电，而不是用核聚变释放的能量加热水或驱动涡轮机发电。他们实验用的装置预计 2024 年运行。
图：Helion Energy 设想的核聚变装置。来源：Helion Energy
相比 ITER 一建就是 20 多年，这些年涌向核聚变的创业公司，几乎都拿出了更激进的时间表—— 2030 年代核聚变商业发电，距离现在最多还剩 17 年。
托马斯 · 克林格（Thomas Klinger）是马克斯普朗克等离子体物理研究所的核聚变专家，有 30 多年研究经验。克林格本人对推动核聚变充满信心，但他也觉得 [5]，创业公司设定较短目标，是因为必须满足利益相关者的要求，并不意味着能够如期实现目标。
可控核聚变成为创业项目，并没有离现实更近，它们大多处于早期阶段，还在建装置，测试方案是否可行，然后再探索 Q 值大于 1 的路。
尽管路途遥远、前景不明，但巨大的经济诱惑吸引了更多人参与其中——这是任何技术进步的前提条件。
2017 年 3 月，SpaceX 用实际行动证明回收的火箭可以重复发射，大幅削减发射火箭成本。一家私营航天公司做到了诸多大国宇航机构都没达成的突破。
“1969 年，人类去了月球。然后我们有了航天飞机，只能把人送到低轨道。然后航天飞机也退休了。” 回收成功一个月后，SpaceX 创始人伊隆·马斯克在 TED 大会上说 [6]，“人们有个错误的观念：技术自己就会前进。技术是不会自动前进，甚至经常退化。只有很多人一起努力才能让它变好。”
很多技术和工程难题并不会因为足够的投入迅速成真，比如 100 年前爱迪生普及电动汽车的野心。但不投入，也很难知道一件事究竟能不能成功。
「 TECH TUESDAY 」系列
1957 年，人造物体第一次进入宇宙，绕着地球飞了三个星期。人类抬头就能在夜幕里看到一颗小小的闪光划过天空，与神话里的星宿并行。
这样的壮举跨越种族与意识形态，在全球各地激起了喜悦之情。但并不是我们可能猜想的那种为人类壮举所感动的胜利喜悦。根据政治哲学家汉娜·阿伦特（Hannah Arendt）当年的观察，人们的情绪更接近于一种等待多时的宽慰——科学终于追上了预期，“人类终于在摆脱地球这个囚笼的道路上迈出了第一步”。
人们总是根据技术探索，快速调整着自己对世界的预期。当科幻作家的一桩畅想变成现实，往往是技术终于追上了人们的预期，或者用阿伦特的话说，“科技实现并肯定了人们的梦想既不疯狂也不虚无。”
今天这样的时候，多一点梦想是更好的，也是更合理的。
毕竟，当射向那条绝对的上升通道被各种原因关闭，人和钱才会流向更广阔的世界，带来更多可能。
这也是《晚点 LatePost》启动 TECH TUESDAY 这个栏目的预期。我们希望在《晚点》日常关注的商业世界外，定期报道新的科学研究与技术进展。
这些可能关于一项前沿研究的进展、可能是对一个技术应用的观察，也可能是对一些杰出技术、乃至一个时代的致敬。
这个栏目将从科学与技术的角度出发，记录这个世界的多样变化。在这个旅途中，希望读者能和我们一起，对这个世界增加一分理解。
[1]Economic Possibilities for Our Grandchildren, John Maynard Keynes http://www.econ.yale.edu/smith/econ116a/keynes1.pdf
[2]German families face 480 euro rise in gas bills under new levy https://www.reuters.com/business/energy/german-energy-bills-rise-by-another-480-euros-year-under-gas-levy-2022-08-15/
[3]A Brief History of U.S. Funding of Fusion Energy,Rachel Margraf http://large.stanford.edu/courses/2021/ph241/margraf1/
[4]The global fusion industry in 2022,FIA https://www.fusionindustryassociation.org/copy-of-about-the-fusion-industry
[5]The chase for fusion energy,Philip Ball https://www.nature.com/immersive/d41586-021-03401-w/index.html
[6]2017 年 TED 大会，克里斯·安德森对谈伊隆·马斯克 http://www.qdaily.com/articles/40345.html
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