一杯水就能给你家发电 但可能还要等30年

出品 | 虎嗅科技组

作者 | 丸都山 陈伊凡

编辑 | 陈伊凡

头图 | 视觉中国

12月13日，位于美国加利福尼亚洲的劳伦斯利弗莫尔国家实验室里，研究人员宣布了一次重大突破——首次在核聚变反应中实现了能量的净收益，即产生的能量比输入的能量更多。

尽管，这个过程仅持续了不到一秒。白宫科学顾问Arati Prabhakar在美国能源部举行的新闻发布会上表示，这是一次科学的里程碑事件，是人类通往清洁能源的道路。

如果核聚变能够投入到商业化发电中，能够提供一种清洁能源，既没有化石燃料产生污染，也能够避免核电站所产生的危险废物。

只是，这种理想的终极能源，究竟何时方能实现商业化？业内人士预计，要实现核聚变的商用化，至少还需要20年-30年。

人类的终极能源形态

自工业文明诞生以来，人类社会共经历两次重大能源变革：蒸汽与电力。这两项基于对化石能源的应用，让人类科技发展速度呈指数级上升。但受限于较高的开采和运输成本，以及高污染的特性，如何替换化石能源成为困扰世界的难题。

1942年12月2日，在康普顿领导的美国芝加哥大学的冶金实验室里，首次取得了受控制的原子核链式裂变反应，这标志着人类正式叩响核能的大门。十年后，人类历史上的首座商业核电站动工建设。

也是在这一年，第一颗氢弹“Mike“在太平洋珊瑚岛上被引爆。其能量释放当量为1000万吨TNT，这是美国当年在广岛投下的原子弹威力的500倍。如此惊人的能量释放吸引了众多科学家前赴后继地投入到对它的探索中，他们研究的目标只有一个，如何让这种能量作为商业能源被人类所使用。

不过，聚变反应的商业化难度要远远高于裂变反应。需要说明的是，两者发生的条件完全不同，通俗来讲，核聚变就是小质量的两个原子合成一个比较大的原子，核裂变就是一个大质量的原子分裂成两个比较小的原子。

太阳中，每时每刻都在发生着核聚变反应。其通过引力，对聚变的燃料产生约束，在引力约束下，日核区的氢会不断发生聚变反应，从而释放出巨大的能量。

千万不能小看这些氢原子的能量。由于核聚变所使用的原料是氢和其同位素，一升的海水，所含的氢的同位素氘完全聚变所释放的能量，相当于300升的汽油。一杯水中的氘加上一点氚，可以为一座房子提供一年的电力。

当聚变反应发生时，瞬时温度可以高达上亿摄氏度，因此想要利用这种能量的前提是，必须有一个容器能够承受如此高的温度，但没有任何一个地球上的物质能够扛得住这个高温。

显然，如果从材料学的角度去解决容器问题肯定是行不通的。

1954年，苏联库尔恰托夫原子能研究所提出了“托克马克装置”，简单的说，该装置其实就是在一个大型真空容器里面注满气体，然后把气体电离变成等离子体，再用强磁场把带电粒子控制住，让它在真空容器里面悬浮起来。

虽然托卡马克装置耐高温，但在实际应用中，约束等离子体的磁场很不稳定，这一问题至今仍未得到有效解决。

比如目前世界纪录的保持者“东方超环”，这个由中科院等离子体所自主设计的磁约束核聚变装置，曾在去年12月创下了”在1.2亿摄氏度下稳定运行101秒“的业界纪录。但如果想要实现商业化，这个稳定运行的时间单位至少要以天来计算。

东方超环（EAST），图片来源：视觉中国

可控核聚变另一项技术难点是，如何解决能量增益Q值大于1的问题。由于等离子体在加入过程中能量会不断损失，因此科学家们以Q值衡量核聚变反应的能效比，当数字大于1时，就说明在反应过程中，核聚变产生的能量已经大于投入的能量。如果这个前提无法满足，则可控核聚变的商用化无从谈起。

1997年，全球最大的托卡马克装置（JET）在一次实验中Q值达到0.67，这也是此前有证可查的Q值中最接近1的一次。在此后20余年的时间里，虽然JET在峰值功率上屡次突破新高，但Q值反而却在降低，在去年12月的一次实验中，JET实现了5秒内产生59兆焦耳的持续能量，而Q值仅为0.33。

这也很好地解释了，为什么这一次劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）公布的成果会如此令人振奋。

根据LLNL公开的数据，在本次核聚变实验中，共向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，能量增益达到135%。

不过需要说明的一点是，LLNL声称的135%能量收益，是从激光能量输入来算的，并未将电能转化未激光过程中的能量损耗算进去，严格意义来说，这并不能算是Q值实现1的突破。

但无论如何，LLNL迈出了可控核聚变技术探索中的关键一步。

实现商业化还需要时间

“这只是可控核聚变的一小步，但确实是人类科技的一大步。”中科创星创始合伙人米磊谈到此事时难掩激动，“我认为可控核聚变将是一个能够超越瓦特蒸汽机效用的‘革命性科技’。”作为一家以早期投资为主的风险投资机构，中科创星选择在今年开始布局可控核聚变领域，并已经投资了三家国内的初创公司。在米磊看来，国内在可控核聚变的投资上，还处于一个政府主导的时期，现在，VC也已经开始介入了。

一份由核聚变工业协会和英国原子能机构出具的《2021年全球核聚变产业》报告中提及，据不完全统计，截至2020年，全球可控核聚变的私人公司一共有23家。

数据来源：《2021年全球核聚变产业》

在全球可控核聚变公司的目标市场中，主要有发电、航空推进、船舶推进等方面，其中，发电方面的市场最多，占据95.7%。

数据来源：《2021年全球核聚变产业》

实现核聚变的方式有三种，引力约束、惯性约束和磁约束。根据核聚变工业协会的那份报告显示，目前全球可控核聚变所采用的方式多以磁约束为主，通过磁场，对带电的原子核产生洛伦兹力从而进行约束，星环聚能创始人陈锐在一次公开演讲中就提及，如果可以长时间稳定地约束聚变的等离子体，就能够实现可控的核聚变。

国际上的主流做法是建设ITER这种大规模装置，通过更大尺寸来提高聚变堆的功率。这是一条更为稳妥的道路，但投资金额几乎要到上千亿元。在法国和英国的ITER项目里，研究人员通过一个巨型甜甜圈形状的机器来尝试实现核聚变，这个甜甜圈中，装着叫做托卡马克的巨型磁铁。将氢燃料放入甜甜圈中，此帖被打开，内部温度上升，产生等离子体。等离子体的温度需要比太阳的核心温度高10倍，中子才能逃离等离子体，然后撞击在托卡马克壁上，将这种动能转化为热量。

美国在可控核聚变上走得更早也更快。2020年9月，在《等离子物理学杂志上》，孵化于美国麻省理工学院的初创公司Commonwealth Fusion Systems宣布了一项基于可控核聚变的突破，这项研究中，提到了小型化可控核聚变反应堆的新进展。研究人员表明，在使用了新型高温超导材料后，其设计的反应堆能够达到与国际热核聚变实验堆（ITER）同等级别的性能指标，但体积只有后者的2%。Commonwealth Fusion Systems为可控核聚变领域的商业化提供了一个新的可能。

米磊投资星环聚能的时候，他和团队在北京交流了两个小时。这是一家商业聚变能开发企业，以建成商业可控聚变堆为目标，专注于小型化、商业化、快速迭代的可控聚变能装置的设计、建设、运行和研发。其技术源自在球形托卡马克领域拥有20年经验的清华大学工程物理系核能所聚变团队。

2022年6月，星环聚能宣布完成天使轮融资，投资方有中科创星、昆仑资本、顺为资本、九合创投等。

米磊表示，目前可控核聚变领域在商业化中所要解决的难题还有很多，对于人类控制磁场和控制光波的光子能力提出了很高的要求。如何做出超强稳定的激光器、如何稳定生成超强的磁场，是现在商业化的难点。

但米磊也表示，对于初创公司来说，可以把技术拆解来看，只要在某个方向实现技术突破，就可以申请专利，收取专利费也是一种商业模式。另一方面就是如果掌握一些技术或者设备，就能够衍生出很多上下游的产品和服务，可以卖配件、激光器、特种光纤等，还有可能被一些发电公司并购。

如果与半导体最尖端的光刻机的投入相比，米磊表示，在可控核聚变上的投入更大、更难、回报周期可能会更长。他表示，要实现核聚变的商业发电，可能需要20年-30年的时间，“如果能够在2050年就实现，我认为已经符合预期了。”米磊说。

米磊表示，任何一项技术都有自己的上限，不管是第一次工业革命的蒸汽机，还是第二次工业革命的内燃机，都会受到技术瓶颈的制约，当人类还有特别好用的技术的时候，人类文明是没有那么多动力和资源去投入到新技术的。如今，能源危机之下，动力比原来更足了，实现商业化的时间也将会压缩。