國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)等離子體裝配現(xiàn)場 中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心供圖
全超導(dǎo)托卡馬克(EAST)是我國自行設(shè)計(jì)研制的世界上第一個(gè)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，
又稱“東方超環(huán)”或“人造小太陽”。圖為全超導(dǎo)托卡馬克(EAST)全景。 視覺中國供圖
國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)是目前世界上最大的核聚變計(jì)劃。圖為ITER施工現(xiàn)場。
中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心供圖
隨著核聚變研究的不斷深入，我國很多相關(guān)技術(shù)獲得突破。在科技創(chuàng)新越來越需要協(xié)同作戰(zhàn)的今天，發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，更有耐力、能長期投入的“國家隊(duì)”和更靈活、試錯(cuò)成本更低的民營企業(yè)發(fā)揮各自優(yōu)勢，密切合作，推動(dòng)形成良好創(chuàng)新生態(tài)。
核聚變領(lǐng)域又獲重要突破。
有史以來第一次，人類實(shí)現(xiàn)了核聚變反應(yīng)的凈能量增益——北京時(shí)間12月13日23時(shí)，美國能源部宣布，其下屬勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)12月5日在國家點(diǎn)火設(shè)施(以下簡稱NIF)進(jìn)行了歷史上第一次可控核聚變實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了“核聚變點(diǎn)火”，該反應(yīng)產(chǎn)生的能量超過所消耗的能量，獲得了“能量凈增益”(Q>1)。
倫敦帝國理工學(xué)院慣性聚變研究中心聯(lián)合主任杰里米·奇滕登(Jeremy Chittenden)評價(jià)稱，這是一件大事，但僅“相當(dāng)于燒開10壺水”的水平，為了使這項(xiàng)技術(shù)能夠發(fā)揮發(fā)電站的作用，還需要多得多的能源。
盡管因此歡呼人類離實(shí)現(xiàn)可控核聚變商用又進(jìn)一大步還為時(shí)尚早，但該事件再次引發(fā)人們對核聚變的關(guān)注。
今年10月，我國新一代“人造太陽”托卡馬克裝置(HL-2M)等離子體電流突破100萬安培(1兆安)，創(chuàng)造了我國可控核聚變裝置運(yùn)行新紀(jì)錄。
與此同時(shí)，核聚變工業(yè)協(xié)會(FIA)一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)顯示，全球有超過30家公司正在致力于實(shí)現(xiàn)核聚變的商業(yè)化，目前這些公司已共計(jì)獲得了超過50億美元的融資。
持續(xù)的重大技術(shù)突破，日益活躍的資本活動(dòng)，“人造太陽”持續(xù)升溫。這一次，“人類距離實(shí)現(xiàn)可控核聚變永遠(yuǎn)還有30年”的段子會被改寫嗎?
終極能源不易得
核聚變被稱為清潔能源的“圣杯”。它是模仿太陽的原理，使兩個(gè)較輕的原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核，結(jié)合期間釋放出大量能量。與化石能源相比，核聚變反應(yīng)不排放二氧化碳，與目前廣泛應(yīng)用的核能(核裂變)相比，核聚變既不會產(chǎn)生核廢料，輻射也極小。
如果能夠制造一個(gè)“人造太陽”用來發(fā)電，人類就能夠徹底實(shí)現(xiàn)能源自由。
上世紀(jì)末，國際能源署給能源領(lǐng)域的2000個(gè)科學(xué)家發(fā)了一份調(diào)查問卷，其中一個(gè)問題是“人類的終極能源是什么”。最終，約20%的人寫了“可再生能源”，剩下近80%的回答，都是“核聚變”。
但這條路不好走。
在核裂變的方向上，人類研究出了原子彈;在核聚變的方向上，氫彈得以誕生。原子彈試爆成功9年后，人類就掌控了核裂變的能量，并用于發(fā)電。而人類自1952年第一顆氫彈試爆成功開始，就踏上了可控核聚變的研究之路，可直到70年后的今天，依然無法掌控這種巨大的能量之源。
難在“可控”二字。具體來說，科學(xué)家需要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)創(chuàng)造出像太陽那樣的極高溫、高壓的環(huán)境，才能讓燃料加熱到離子化產(chǎn)生聚變。如何讓等離子體加熱到1億度呢?地球上最耐熱的金屬幾千度就熔化了，用什么容器能將核聚變幾萬個(gè)幾千度的等離子體“裝住”?又如何讓這高溫的等離子體發(fā)出電來呢?這些都是可控核聚變需要解決的難題。
因?yàn)樘y，在科學(xué)家們的預(yù)言中，距離實(shí)現(xiàn)可控核聚變永遠(yuǎn)“還要30年”。
各國都在“種太陽”
困難從不是科學(xué)家停止探索的理由。
20世紀(jì)中葉，蘇聯(lián)科學(xué)家研制出了一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。這種名為托卡馬克的裝置，為可控核聚變技術(shù)的突破打開了一扇大門。
同一時(shí)期，物理學(xué)家將愛因斯坦的“受激輻射”理論變成現(xiàn)實(shí)，激光出現(xiàn)了。這一重大發(fā)明有力推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也使可控核聚變研究有了一種新手段——慣性約束核聚變。
目前，磁約束核聚變與慣性約束核聚變被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的兩種重要方式。磁約束核聚變這一路線的主攻方向是以國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)和歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆(JET)為代表的托卡馬克裝置。NIF則是基于慣性約束核聚變原理的代表裝置之一。
從全世界范圍看，磁約束是實(shí)現(xiàn)可控核聚變更主流的方案。“種太陽”，托卡馬克裝置被寄予厚望。
上世紀(jì)90年代，美歐日先后建成3個(gè)大的托卡馬克裝置，均實(shí)現(xiàn)在三五秒鐘的時(shí)間內(nèi)維持核聚變反應(yīng)，且可重復(fù)。這意味著，科學(xué)上的可行性在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。
整體而言，不論是經(jīng)濟(jì)投入還是科學(xué)難度，磁約束核聚變研究都是一項(xiàng)難度太高的項(xiàng)目，需要國際合作。1985年，美蘇牽頭啟動(dòng)國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃，這是目前世界上最大的核聚變計(jì)劃。由于牽涉國家利益較多，直到2006年，ITER反應(yīng)堆正式啟動(dòng)建設(shè)，目的是由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國等七個(gè)成員方在法國共同建造一個(gè)托卡馬克型聚變實(shí)驗(yàn)堆，探索和平利用聚變能發(fā)電的科學(xué)和工程技術(shù)可行性。
ITER最終目標(biāo)是以50兆瓦的輸入功率，從反應(yīng)堆持續(xù)獲得500兆瓦的巨變功率——相當(dāng)于一個(gè)中型燃煤電廠的規(guī)模。
中國可控核聚變的研究與世界幾乎同步。
上世紀(jì)50年代，中國開啟核聚變研究。1965年，我國在四川樂山建成核聚變研究基地——西南物理研究所(今中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院)。
1984年，中國環(huán)流器一號(HL-1)的建成，被認(rèn)為是我國核聚變研究史上的重要里程碑。這是中國核聚變歷史上的第一座大科學(xué)裝置，為中國自主設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行“人造太陽”培養(yǎng)了大批人才，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。
上世紀(jì)90年代，我國用羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資，換了蘇聯(lián)價(jià)值1800萬盧布的t-7的半超導(dǎo)托卡馬克裝置。1994年，更名為“ht-7”的大科學(xué)裝置成功研制，中國成為繼俄、法、日之后第四個(gè)擁有超導(dǎo)托卡馬克裝置的國家。
如今，中國已有多座成功運(yùn)行的國產(chǎn)托卡馬克裝置 。
其中，中國自主設(shè)計(jì)的東方超環(huán)EAST，是世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，坐落于中國科學(xué)院合肥等離子體物理研究所。
2021年12月，EAST實(shí)現(xiàn)1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長時(shí)間。
中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心主任羅德隆在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示，總體而言，目前包括ITER在內(nèi)，聚變能正處在開發(fā)階段。要想真正實(shí)現(xiàn)聚變能的商業(yè)應(yīng)用，需要克服高溫(超過上億度)等離子體約束、承受高溫及強(qiáng)輻射聚變材料和聚變?nèi)剂?氚)循環(huán)增殖三大難題。
資本聞風(fēng)而動(dòng)
“國家隊(duì)”快馬加鞭的同時(shí)，資本和私營企業(yè)也迅速跟進(jìn)，他們希望能更快造出可用、成本適中的設(shè)備。
四五年前，可控核聚變這一投資方向就已出現(xiàn)在中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊的投資方向PPT中。
“沒想到這么快就等到了投資機(jī)會。”米磊坦言。
2022年2月，星環(huán)聚能創(chuàng)始人陳銳和清華大學(xué)工程物理系副教授、星環(huán)聚能技術(shù)發(fā)明人譚熠到米磊辦公室與他聊了兩個(gè)小時(shí)。“我們一直在探討技術(shù)，聊完后，就決定投了。”米磊說。
機(jī)會源于過去幾年核聚變領(lǐng)域的技術(shù)突破。
米磊認(rèn)為，科學(xué)理論已經(jīng)證明可控核聚變的可行性，近些年高溫超導(dǎo)技術(shù)的突破，讓可控核聚變的建設(shè)成本大幅壓縮，給了創(chuàng)業(yè)企業(yè)機(jī)會。
能量奇點(diǎn)能源科技(上海)有限公司的官網(wǎng)稱：過去十年，隨著高溫超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)、先進(jìn)等離子體物理、人工智能和高性能計(jì)算等多領(lǐng)域的技術(shù)突破，人類已首次基本具備了實(shí)現(xiàn)聚變能源商業(yè)化的科學(xué)條件。
“磁約束核聚變是一個(gè)龐大的涉核工程，涵蓋的技術(shù)領(lǐng)域太多，包括電、磁、真空、微波、材料等眾多學(xué)科，隨著聚變研究的不斷深入，我國有很多相關(guān)技術(shù)獲得突破，其中最明顯的是超導(dǎo)技術(shù)。”羅德隆說。
這些突破讓中小型核聚變裝置建設(shè)成為可能。
羅德隆舉例說，英國托卡馬克能源公司利用高溫超導(dǎo)強(qiáng)磁場技術(shù)研發(fā)的小型聚變裝置只有幾米寬，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn);美國聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司(CFS)采用3D打印技術(shù)制造小型緊湊的聚變反應(yīng)堆，用于航天器的能源供應(yīng);微軟、亞馬遜、谷歌等互聯(lián)網(wǎng)公司將超算技術(shù)應(yīng)用于理論模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，加速聚變研究等。
資本聞風(fēng)而動(dòng)。
2019年，名為“能源生產(chǎn)球形托卡馬克”(STEP)的項(xiàng)目在英國啟動(dòng)，最初5年投入2.22億英鎊用于設(shè)計(jì)開發(fā)。負(fù)責(zé)監(jiān)督這項(xiàng)工作的英國原子能管理局表示，STEP最早可能在2032年開始建設(shè)，2040年開始運(yùn)營。
同年，加拿大公司General Fusion獲得了一筆高達(dá)1億美元的投資。據(jù)稱，這只是總計(jì)1.92億美元的大額交易的一部分，實(shí)際數(shù)字可能更高。
2021年，美國清潔能源公司Helion Energy宣布完成5億美元的E輪融資，另外還有17億美元的承諾與特定的里程碑掛鉤。
也就是在這一年，核聚變領(lǐng)域收到迄今為止最大的一筆私人投資。CFS從包括老虎環(huán)球管理和比爾·蓋茨在內(nèi)的投資者那里獲得近20億美元融資。投資方希望將核聚變商業(yè)化，并在2030年初將其并入電網(wǎng)。
《華爾街日報(bào)》援引業(yè)內(nèi)人士的話稱：“一波又一波的資金涌入到核聚變領(lǐng)域當(dāng)中，這正是核聚變工業(yè)擴(kuò)張的信號。”
在國內(nèi)，2016年，河北新奧集團(tuán)股份有限公司開始探索核聚變技術(shù)，并于2019年實(shí)現(xiàn)球形托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置——新奧“玄龍-50”第一次等離子體放電，正式啟動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)。
今年上半年，星環(huán)聚能、能量奇點(diǎn)這兩家成立不足1年的商業(yè)可控核聚變企業(yè)被投資機(jī)構(gòu)爭搶，相繼完成數(shù)億元首輪融資，投資方囊括了順為資本、中科創(chuàng)星等十余家國內(nèi)資本。下半年，核心成員脫胎于上海交通大學(xué)高溫超導(dǎo)團(tuán)隊(duì)的翌曦科技完成5000萬元種子輪融資，本輪融資由中科創(chuàng)星領(lǐng)投，合力投資、泓昇基金等跟投。
“spaceX時(shí)代”已到來?
“實(shí)現(xiàn)可控核聚變是中學(xué)時(shí)代就萌發(fā)的人生夢想。”譚熠說，從事了20年聚變研發(fā)，非常清楚可控核聚變面臨的大量困難，但隨著認(rèn)識的深入，也意識到這些困難并非無法克服。
星環(huán)聚能的技術(shù)來自運(yùn)行了20年的清華大學(xué)球形托卡馬克探索裝置SUNIST。目前，星環(huán)聚能已完成與清華大學(xué)合作的球形托卡馬克主機(jī)裝配，即將開始各項(xiàng)調(diào)試。“在獲得監(jiān)管部門相關(guān)的許可文件之后，將爭取盡快開始運(yùn)行。”譚熠說 ,有緊迫感，競爭壓力明顯。
今年3月份，能量奇點(diǎn)就在其公眾號中宣布，與我國可控核聚變領(lǐng)域的主力軍中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院簽署了協(xié)議，雙方計(jì)劃共同研發(fā)全球首臺基于全高溫超導(dǎo)磁體的托卡馬克，以實(shí)現(xiàn)長時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的科學(xué)和工程目標(biāo)。
在米磊看來，當(dāng)下的可控核聚變，很像幾年前的商業(yè)航天領(lǐng)域。“一個(gè)新的方向，肯定有很大風(fēng)險(xiǎn)，但必須有人去嘗試。”米磊舉例，美國航空航天局(NASA)沒有做可回收火箭，但太空探索技術(shù)公司(spaceX)做成功了，持續(xù)引領(lǐng)著太空領(lǐng)域的商業(yè)化。
確如米磊所說，埃隆·馬斯克創(chuàng)辦的spaceX，用比NASA少得多的經(jīng)費(fèi)和快得多的速度開發(fā)出了可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭，極大地降低了太空運(yùn)輸?shù)某杀荆_創(chuàng)了載人航天的私營時(shí)代。
這不是他一個(gè)人的觀點(diǎn)。加拿大核聚變公司GF的首席執(zhí)行官莫里(Mowry)甚至認(rèn)為，“聚變行業(yè)的spaceX時(shí)刻”已經(jīng)到來。
從投資人角度看，米磊說，一旦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，可控核聚變的邊際收益將足夠高，即使失敗，對國家和團(tuán)隊(duì)來說也會有很多收獲，“培養(yǎng)了人才，積累了專利、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。”
米磊還從更高層面看待創(chuàng)業(yè)企業(yè)的加入。“在科技創(chuàng)新越來越需要協(xié)同作戰(zhàn)的今天，正如中央所強(qiáng)調(diào)的，我們需要發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，讓更有耐力、能長期投入的‘國家隊(duì)’和更靈活、試錯(cuò)成本更低的民營企業(yè)發(fā)揮各自優(yōu)勢，密切合作，形成良好創(chuàng)新生態(tài)。”
“由民營企業(yè)主導(dǎo)的緊湊型項(xiàng)目較為靈活，可快速適應(yīng)不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)和新發(fā)現(xiàn)。”羅德隆說，通過技術(shù)融合創(chuàng)新，發(fā)展不同的可控核聚變方法和設(shè)計(jì)理念，更新迭代速度快，商業(yè)化成本低，對實(shí)現(xiàn)核聚變領(lǐng)域核心技術(shù)突破和加快核聚變商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程具有重要的推動(dòng)作用。
華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院聚變與等離子體研究所教授張明也表示，民營資本目前主要以投資核聚變新路線為主。目前新的核聚變路線雖然也面臨很多問題，但若能在新路線的探索過程中發(fā)現(xiàn)新的物理機(jī)制，與現(xiàn)有路線有機(jī)結(jié)合，亦可為核聚變能研發(fā)提供新的思路。
譚熠表示，引進(jìn)民間資本，還有很重要的一點(diǎn)，希望建造一個(gè)核聚變?nèi)瞬诺男钏亍?/p>
粗略估計(jì)，我國每年畢業(yè)的磁約束核聚變方向博士生大約100名。
譚熠坦言，自己所在實(shí)驗(yàn)室每年培養(yǎng)的學(xué)生里，很多轉(zhuǎn)行公務(wù)員、其他技術(shù)領(lǐng)域甚至金融。“如果沒有對口且較為體面的就業(yè)機(jī)會，大家轉(zhuǎn)行是可以理解的。但正如中國工程院院士李建剛特別擔(dān)心的，如果有一天國家決定建設(shè)中國的聚變商業(yè)堆，人都叫不齊怎么辦?”
“隨著民間資本加入，核聚變方向變得更加有吸引力，也能夠讓有夢想的人在實(shí)現(xiàn)夢想的路上走得更遠(yuǎn)一些。”譚熠表示，希望大家在做這種有風(fēng)險(xiǎn)的事情時(shí)，能夠獲得體面的報(bào)酬，少一點(diǎn)后顧之憂，大膽地往前沖。
“目前我國在核聚變理論、實(shí)驗(yàn)和工程領(lǐng)域仍然存在較大的人才缺口。”羅德隆也表示，民營資本的加入，可以充分發(fā)揮工程能力優(yōu)勢，助力構(gòu)建一個(gè)科學(xué)合理、布局全面的磁約束核聚變科學(xué)與工程研究和技術(shù)研發(fā)的人才培養(yǎng)體系。
無論如何，人類追逐“終極能源”的腳步越來越快。蘇聯(lián)物理學(xué)家、托卡馬克之父列夫·阿齊莫維奇(Lev Artsimovich)說過一句至理名言：“當(dāng)整個(gè)社會都需要的時(shí)候，聚變就會實(shí)現(xiàn)。”
這一天，或許不再遙遠(yuǎn)。
李建剛則堅(jiān)信：“在我的有生之年，一定有一盞燈能被聚變之能點(diǎn)亮。這一盞燈，一定要，也只能在中國。”
