“人造太阳”与“点火”：可控核聚变的理想与现实

　　记者 |李彪 李京亚
　　北京时间12月13日，美国能源部宣布，由美国政府资助的加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”。实验向目标输入了2.05 MJ（兆焦）的能量，产生了3.15 MJ的聚变能量输出，聚变能量增益因子（Q值）达到1.53，持续时间不到0.0001秒。
　　核聚变是两个较轻的原子核发生聚合作用生成一个更重的原子核和一个极轻的粒子。核聚变通常需要1亿度以上的高温环境，原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开，各自独立运动。两原子核原本因为都带正电荷而相互排斥，在此种极端状态下克服电荷间的作用力而相互吸引，形成等离子体并碰撞释放出巨大的能量。
　　如同1942年芝加哥大学的网球场上建起了第一座人工核反应堆 “驯服” 核裂变一样，人类社会始终探寻将核聚变从不受控制的氢弹爆炸转变成可控的、源源不断的商用清洁能源。
　　在物理学的认知中，宇宙间所有恒星的能量都起源于两个氢原子核的聚变反应，因此可控核聚变计划又常常被称作“人造太阳”。
　　如果说可控核聚变的理想是宇宙星辰，现实就是光年的距离，每一步都是艰难异常的可行性丈量，至今离终点还很遥远。                                                                                       
　　“莱特兄弟时刻”
　　2021年8月，美国国家点火装置（NIF）通过激光核聚变实验创下了输出能量的历史最高记录，劳伦斯利弗莫尔国家实验室首席科学家Omar Hurricane将其称作 “莱特兄弟时刻”。
　　事实上，NIF的点火之路始终与质疑共存。
　　证明可控核聚变科学可行性的第一步就是“Q>1”，即输出的能量大于维持反应所需输入的能量，核聚变反应可以依靠自身产生的能量维持。这一临界状态被称作收支平衡，也叫“点火”。
　　对于输入能量大于输出能量，NIF团队重新定义了“科学收支平衡”——为达到核聚变火所需的高温高压条件，点火装置使用了192束紫外激光轰击靶标。而激光效率极低，通常只有1% 左右能够成功轰击到目标。团队建议计算Q值时将输入能量看作激光能量，而非外界供给的总能量，刻意忽略了激光的低命中率。
　　这一定义目前只适用于NIF的点火实验，外界普遍存有质疑。
　　根据介绍，NIF使用的整套激光系統供电需要超过400 MJ。如果严格按照收支平衡的界定，实际Q值远远小于1。多位业内人士告诉记者，这次激光点火的能量转化效率低、持续时间短，完全不能满足发电站的产能需求。
　　然而即便是重新定义过的科学收支平衡，理论意义大于实际意义，首次实现这一成就依然价值非凡。中国工程院院士、“人造太阳”装置负责人李建刚告诉界面新闻，“Q>1” 对物理研究十分关键，特别是对NIF一直坚持的激光核聚变路线。
　　回顾NIF的点火之路，失败与质疑始终盘旋上空。根据《Nature》独家调查报道，NIF项目一直因为耗资巨大、进度与开支严重超标、收效甚微而饱受质疑。整个项目屡屡受挫，多次面临生存危机。
　　NIF由美国能源部下属管理核武器的国家核安全局（NNSA）负责运行，最初是作为“库存管理计划“的第一部分，在不发生爆炸的前提下指导管理核武器储备，服务于军事目的。
　　NIF项目于1997年开工建设，2009年竣工，比计划进度落后好几年。装置总造价约为35亿美元，超支至少24亿美元。
　　按照最初设想，NIF原计划要在2012年实现点火，然而现实却是充满延宕，不计其数的聚变反应释放的能量远远达不到及格水平。直到2021年8月8日，NIF才创历史纪录地释放出超过1.3 MJ的巨大能量，Q值达到0.7，虽然未达到点火，但已经是此前最高记录的8倍。然而这一结果转瞬又在可重复验证中失败连连，后续实验所获得的能量最多只能达到峰值的50%。
　　NIF团队还曾因为在点火定义上玩弄文字游戏而招致猛烈抨击。2013年10月，NIF宣布实现了科学收支平衡，成功点火。如果按照先前定义，此实验Q值仅为0.0077，但在新闻宣传中，团队再次重新定义Q值 ，把输入能量等同于”燃料最热部分能量“，1.8 MJ的原始激光能量只有10 KJ被纳入计算。《Science》发文直斥其伪，称所谓核聚变里程碑式突破 “每一步都被夸大”。
　　无法突破点火，可控核聚变的商用前景全然是空中楼阁。2008年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室提出LIFE（Laser Inertial Fusion Energy）计划，开展“全国点火运动”，将NIF正在开发的激光聚变转化为实用的商业发电厂。 该计划后来承认“无法兑现过度的承诺与营销”，2013年被正式叫停。
　　美国科学联盟提出质疑，认为围绕NIF的许多主张都是出于政治因素驱使，持续消耗大量资金只是在维持一个昂贵的“大玩具”。根据《Nature》披露的一份去年提交给国家核安全局的保密评估报告，独立科学专家工作组呼吁对NIF做一次根本性的重新评估，并指出该项目在未来几年内不太可能实现“可预测、可重复的点火”。
　　此时点火成功，对NIF来说更像是科学上的胜利，更像是一次打破质疑、恢复信心的自证。 在国际热核聚变实验堆计划组织（ITER）的祝贺公开信中，总干事Pietro Barabaschi盛赞这次点火为“历史里程碑”，首次证明了可控核聚变在科学上的可行性。
　　劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任Kim Budil评价，追求可控核聚变始终是 “野心勃勃的目标”。 点火只是第一步，却是“梦想照进现实的第一步”。 从科学收支平衡跨越到工程收支平衡，乃至未来的商业收支平衡，NIF还需要攻克点火持续时间短、可重复再现、激光效率低等现实难题。
　　商业落地的“拖延症”
　　目前实现可控核聚变主要有两种方案，惯性约束核聚变和磁约束核聚变。前者利用超高强度的激光在极短的时间内轰击靶标，代表工程为美国国家点火装置（NIF）；后者利用强磁场约束带电粒子的特性，将其约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度高温实现聚变反应，即美国、中国、欧洲多国都在探索的超导托卡马克路线，代表工程有国际热核聚变实验堆计划（ITER）。
　　ITER目前是世界上仅次于国际空间站的第二大国际科学合作工程，缔约国包括欧盟、美国、俄罗斯、中国、日本、韩国、印度七个国家和地区。按照最初的设计，欧盟贡献46%，美、日、俄、中、韩、印各贡献约9%。
　　中国是2006年正式签约加入，李建刚是倡议中国参加ITER计划的重要发起人，主持完成了国产托卡马克“东方超环”（EAST）工程设计和建设。他告诉记者，激光惯性约束与超导磁场约束差异极大。不同于NIF的军事用途，从转化效率、规模效应、稳定性等多种要素综合来看，ITER目前是可控核聚变商业化最为前沿的主流路线。
　　两种路径起点不同，目标也不尽相同。
　　NIF服务于军事用途的核武器储藏，将点火作为第一目标，反复实验只为“Q>1” 。
　　托卡马克工程规模巨大，能量转化效率远远高于激光，一开始瞄准商业用途的大型聚变堆发电，主要目标有包括：大功率的净电力输出；实现核聚变原料的增殖；验证建造商业聚变电站所需要的全部技术。
　　因此托卡马克不只追求点火，还重视持续时间。 相比于NIF此次点火不足0.0001秒，托卡马克对稳定性的要求远远高于前者。按照ITER的目标，目前在建的世界最大托卡马克装置会实现 50MW的输入功率产生500MW的输出功率，届时Q值将达到10。
　　托卡马克路线至今尚未实现点火，该领域的Q值世界记录为0.67，为欧洲联合环（JET）在1997年创造，4秒内释放的21.7MJ的能量。2022年2月9日，JET宣布最新一轮实验在5秒内产生了59MJ的能量。虽然Q值只有0.33，JET负责人仍表示“5秒已经是非常了不起的里程碑”。
　　JET为目前全球最大的托卡马克装置，但也仅仅为ITER的测试前站。欧洲核聚变研发创新联盟最新宣布2023年将会停止JET测试，把相同技术设备与模型投入到ITER项目。
　　经过数代托卡马克的研究发现，装置越大，磁场越强，越容易实现聚变反应和获得聚变能源。按照计划，ITER将会建成一个超大型的托卡马克，体积将会是JET的十倍，反应释放能量更是无法同日而语，预期工程量也会是世界级规模。
　　但同NIF一样，ITER中间也是反复经历各种进度拖延与开销超支，几乎成了“拖延”的代名词。
　　ITER从上世纪80年代就发起立项，原计划投资50亿美元，花10年建成。至今历时36年，投资累计高达220亿美元，ITER仍在建设阶段。过程因为协约国之间的合作分歧，甚至直到2006年，ITER才正式将总部定在法国，建设完成时间也由原定的2016年延迟到2029年。
　　按照时间表，ITER会在本世纪中叶建造商用聚变反应堆，能否如期完成仍有极大的不确定性，现在点火成功后的NIF是否会重启商业发电计划同样是未知数。
　　如同圈内自嘲“可控核聚变落地永远只差50年”，无论是激光点火的惯性约束，还是托卡马克的磁场约束，目前都没有“提前交卷”的可能。
　　民间投资 “不错过”
　　在可控核聚变还未商业化落地之前，风险投资与创业公司已经开始抢跑布局。
　　根据《Nature》报道，华盛顿特区代表核聚变行业的核聚变工业协会（FIA）2021年10月做的一项调查显示，目前全球共有30多家从事聚变技术的私营公司。其中已公开筹资情况的18家公司总共获得了逾24亿美元的融资，且几乎全部来自民间投资。
　　目前核聚变创业公司致力于实现低成本、平价的商业能源计划。来自麻省理工学院的CFS公司走的是磁约束路线，计划打造首台实现Q>1的托卡马克装置。来自牛津大学的First Light Fusion走的则是惯性约束路线，计划通过冲击波实现点火。
　　2021年12月，CFS宣布完成了B轮18亿美元融资，是目前为止在可控核聚变领域最大的单笔融资，比尔盖茨、索罗斯、老虎环球基金、谷歌均有参与。
　　TAE Technologies，一家位于加州、1998年成立就开始做核聚变能源管理的初创公司，今年8月官宣了一笔2.5亿美元的新融资，谷歌、高盛为其投资者，至今已经筹集资金超过10亿美元。位于华盛顿的一家核聚变发电公司Helion Energy去年也宣布完成了5亿美元的融资，前YC掌门人、OpenAI CEO  Sam Altman负责领投。
　　欧洲核聚变研发创新联盟的项目管理Tony Donne接受《Nature》采访时表示，如同商业航天，商业核聚变正在海外形成一种公私合力推动的良好势头。但目前相对于国家牵头的科研项目，私营公司仍有巨大的风险， “创业公司说10年内就能成功，只不过是为了吸引投资者。”
　　国内目前主要做可控核聚变的初创公司主要有星环聚能、能量奇点、新奥聚变。前两家公司分别在今年收获了过亿元的最新融资，顺为资本、联想创投、蓝驰创投等风险投资机构均有参与。
　　民间投资现阶段对可控核聚变的投资更多是一种“不错过”的心态。
　　润土投资创始合伙人魏坚告诉界面新闻，“国内能做核聚变商业化的公司目前仍是个位数”，全球范围内核聚变商业化都处在特别早期。国内核聚变主要是在2006年中国加入ITER计划之后，以清华、中科院合肥所、 四川585所为代表政府、高校的研究机构为导向开始探索商业化，2018、2019年开始才出现少量创业公司。
　　魏坚认为，像核聚变这一类科研项目，本身还处在理论研究的突破阶段，需要10年、甚至20-30年才可能商业化。大多风险投资机构，特别人民币基金，基金策略不支持对其进行长期投资。且不同于新能源行业，核聚变商业化领域目前没有配套的产业扶持政策，能够这一时期出手的民间投资主要是占坑思路，敢于在特别早期阶段做创新试错。
　　参与投资能量奇点的蓝驰创投的投资人表示，虽然距离实际应用还有很长的路要走，但可控核聚变的想象空间巨大。“人们总会高估技术三年内的影响力，低估十年后的变化。如果核聚变的确值得期待，许多囿于能耗限制的假设会被打破，许多产品、服务与关系也会重构。”
                                                                                                                                                                  责任编辑：张玉