可控核聚變：耐心資本的游戲
2024-10-21 00:00:00張?zhí)靷?/span>
新財(cái)富 2024年10期
AI的盡頭是電力。人類實(shí)現(xiàn)智能化生存，電力要邁過增加供應(yīng)、清潔發(fā)展兩道坎。于是，同時(shí)求解這兩大命題的可控核聚變技術(shù)，被視為能源“圣杯”，吸引了眾多科學(xué)家、創(chuàng)業(yè)者和投資人。
這一領(lǐng)域最新的一筆巨額融資，發(fā)生在2024年6月。合肥科學(xué)島控股有限公司（簡稱“合肥科學(xué)島”）、中國石油集團(tuán)昆侖資本有限公司（簡稱“中石油昆侖”）分別拿出29億元，增資聚變新能（安徽）有限公司（簡稱“聚變新能”），二者所持股權(quán)由此分別達(dá)到20%，聚變新能的注冊資本則提升至145億元，而其成立剛滿一年。
國資之外，自2021 年起，米哈游、蔚來資本等產(chǎn)業(yè)資本，中科創(chuàng)星、順為資本、元禾原點(diǎn)等PE/VC機(jī)構(gòu)，也都將資金投向能量奇點(diǎn)能源科技（上海）有限公司（簡稱“能量奇點(diǎn)”）、陜西星環(huán)聚能科技有限公司（簡稱“星環(huán)聚能”）、上海翌曦科技發(fā)展有限公司（簡稱“翌曦科技”）等初創(chuàng)公司，以助推人類搶占這一科技制高點(diǎn)。
從商業(yè)化應(yīng)用看，可控核聚變技術(shù)迄今仍在突破中，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電乃至獲取收入或要到10年后。因此，這一賽道的投資堪稱耐心資本的游戲。
創(chuàng)業(yè)門檻高，國內(nèi)商業(yè)化公司僅5家
由于太陽就是一個(gè)龐大的核聚變反應(yīng)堆，可控核聚變也被稱為“人造太陽”。因耗資巨大、工藝復(fù)雜，近半個(gè)世紀(jì)以來，這一技術(shù)研發(fā)主要由各國政府出資推進(jìn)，在中國，部分科研院所及高校承擔(dān)了研究任務(wù)。
2021年起，中國在這一領(lǐng)域的商業(yè)投資開始加速，但迄今為止，也只有上述4家初創(chuàng)企業(yè)獲得融資（表1）。
表1：國內(nèi)商用可控核聚變技術(shù)研發(fā)企業(yè)情況
此外，以燃?xì)夤?yīng)起家的新奧集團(tuán)，旗下新奧科技發(fā)展有限公司（簡稱“新奧科技”）于2017年開啟可控核聚變研究。新奧科技的前身為2006年創(chuàng)立的新奧能源研究院。新奧集團(tuán)由王玉鎖1989 年創(chuàng)立于河北廊坊，目前旗下?lián)碛行聤W能源（02688.HK）、新奧股份（600803）、ST智知（603869）、西藏旅游（600749）4 家上市公司。
“國內(nèi)高校研究所里的核物理人才，愿意研究核聚變的可能只有個(gè)位數(shù)，這個(gè)行業(yè)門檻非常高。遇到合適的團(tuán)隊(duì)，我們就果斷出手了?！蓖顿Y了星環(huán)聚能的險(xiǎn)峰長青合伙人趙陽曾在采訪中表示。
星環(huán)聚能：清華孵化
星環(huán)聚能的孵化，源于清華大學(xué)工程物理系核能所聚變團(tuán)隊(duì)的成果轉(zhuǎn)化，其技術(shù)基礎(chǔ)來自2002年建成的清華大學(xué)球形托卡馬克探索裝置“SUNIST”。
托卡馬克裝置，是一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器，也是當(dāng)前可控核聚變的主流方式。它的名字Tokamak，來源于環(huán)形、真空室、磁、線圈。
星環(huán)聚能的創(chuàng)始人陳銳、譚熠，均畢業(yè)于清華大學(xué)工程物理系，后者曾任該系副教授，是清華大學(xué)SUNIST裝置的負(fù)責(zé)人。2023年，星環(huán)聚能和清華大學(xué)簽訂協(xié)議，合作研究一個(gè)更大規(guī)模的原理驗(yàn)證裝置“SUNIST-2”。
成立不滿3年，星環(huán)聚能已獲得海美控股、華成智訊、紅杉中國、昆侖資本、聯(lián)想之星、順為資本、元禾原點(diǎn)等數(shù)十家機(jī)構(gòu)的投資。2024年3月，星環(huán)聚能完成Pre-A輪融資，投資方包括上海知識產(chǎn)權(quán)基金、華成創(chuàng)投、和玉資本、中科創(chuàng)星等。
星環(huán)聚能邁出商業(yè)化步伐，一個(gè)原因在于難以獲得國家科研經(jīng)費(fèi)的支持?！皣业南嚓P(guān)經(jīng)費(fèi)大部分都分配到了合肥等離子體所和核工業(yè)西南物理研究院這兩支國家隊(duì)?！弊T熠曾表示。
根據(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2008年至2023年11月，我國總計(jì)已安排約60億元經(jīng)費(fèi)用于該領(lǐng)域的專項(xiàng)研發(fā)，并取得多項(xiàng)研究成果。
聚變新能：合肥押下重注
譚熠提到的合肥等離子體所，全稱是中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所，它和核工業(yè)西南物理研究院，基本代表著中國可控核聚變技術(shù)的最高水平。聚變新能之所以吸引到巨額投資，即在于其是合肥等離子體所在磁約束核聚變領(lǐng)域唯一的成果轉(zhuǎn)化平臺。
合肥等離子體所成立于1978年9月，目前有職工700 余人，其中，專業(yè)技術(shù)人員逾80%，并先后有6位科學(xué)家入選中國科學(xué)院或中國工程院院士。
1994年，合肥等離子體所在前蘇聯(lián)贈送的世界第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置T-7的基礎(chǔ)上，建成了我國首個(gè)大型超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7，并在此基礎(chǔ)上于2006年建成世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置“EAST”。
EAST裝置的核心部件，是一個(gè)高12米、重400多噸的落地圓柱體大容器，被安置在一棟封閉的建筑物內(nèi)，可以對磁約束核聚變相關(guān)的前沿物理問題開展實(shí)驗(yàn)研究和工程驗(yàn)證。
“這是一個(gè)耗資巨大的項(xiàng)目，從申請到建成耗資3.2億元，后續(xù)又申請了1.95億元用于外圍裝備建設(shè)。此外，EAST每年需要大約3600萬元的運(yùn)行費(fèi)?！痹撗b置建成后兩年，時(shí)任EAST運(yùn)行總負(fù)責(zé)人的羅家融曾表示。
為加速研發(fā)進(jìn)程，2023年，合肥等離子體所在EAST基礎(chǔ)上，開始推進(jìn)緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置BEST的建設(shè)。不同的是，BEST裝置采用市場化模式建設(shè)、運(yùn)作，聚變新能應(yīng)運(yùn)而生。
聚變新能2023年5月成立時(shí)，便成為安徽省打造科技創(chuàng)新策源地與新興產(chǎn)業(yè)聚集地的重大戰(zhàn)略性項(xiàng)目。其初始注冊資本即高達(dá)50億元，其中，安徽省國資委旗下的皖能電力、安徽省皖能資本投資有限公司（簡稱“皖能資本”）、合肥國資委旗下的合肥市產(chǎn)業(yè)投資控股（集團(tuán)）有限公司（簡稱“合肥產(chǎn)投”）分別出資5億元、7.5億元、12.5億元，員工持股平臺出資10億元，蔚來資本作為唯一的產(chǎn)業(yè)投資機(jī)構(gòu)，出資15億元。
2024年4月，為壯大聚變新能，理順安徽省、合肥市投資平臺及其他投資方在其中的股權(quán)、管理關(guān)系，聚變新能進(jìn)行了新一輪股權(quán)變更，在此過程中，國資的持股比例不斷抬高。
其一，安徽省國資委通過其全資控股的私募機(jī)構(gòu)，成立了一只名為安徽皖能豐禾聚變科技合伙企業(yè)（簡稱“豐禾聚變”）的股權(quán)投資基金，此后，其一方面將皖能電力、皖能資本所持的聚變新能的股權(quán)作價(jià)，投向豐禾聚變，另一方面引入了安徽省碳中和基金有限公司、安徽省新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金有限公司、安徽省產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級基金有限公司、安徽省混合所有制改革基金有限公司等機(jī)構(gòu)，對聚變新能進(jìn)行增資，同時(shí)引入安徽省科創(chuàng)投資有限公司（簡稱“安徽科創(chuàng)”）作為新的投資人。
其二，原股東合肥產(chǎn)投對聚變新能進(jìn)行增資，同時(shí)，蔚來資本則開始減資。
2024年6月，合肥科學(xué)島、中石油昆侖對聚變新能進(jìn)行第二輪增資，使其注冊資本提升至145億元。此輪增資完成后，聚變新能分別由合肥產(chǎn)投、豐禾聚變、合肥科學(xué)島、中石油昆侖、安徽科創(chuàng)、蔚聚資本持股20.5%、20.5%、20%、20%、14%、5%。據(jù)企查查數(shù)據(jù)，股權(quán)穿透后，該公司實(shí)際控制人為安徽省國資委，持股比例是30.3%。
值得一提的是，合肥科學(xué)島由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院100%持股。29億元的巨額投資，無疑將進(jìn)一步夯實(shí)聚變新能“科研院所+商業(yè)公司”的格局。
根據(jù)企查查數(shù)據(jù)，聚變新能在2023年8月已經(jīng)開展BEST裝置的多項(xiàng)招標(biāo)項(xiàng)目。
“我相信十年之內(nèi)，一定能看到有一盞燈在合肥被核聚變點(diǎn)亮?！敝袊こ淘涸菏坷罱▌?023年曾表示。李建剛在2005年至2014年擔(dān)任合肥等離子體所所長一職，2015年當(dāng)選院士。
能量奇點(diǎn)：斯坦福博士打造
合肥等離子體所提速商業(yè)化的同時(shí)，位于四川成都的核工業(yè)西南物理研究院也在探索。2022年，后者與能量奇點(diǎn)達(dá)成合作，共同研發(fā)全球首臺基于全高溫超導(dǎo)磁體的托卡馬克裝置。
能量奇點(diǎn)成立于2021年，至今已完成兩輪融資，累計(jì)獲得約8億元資金，投資人包括米哈游、蔚來資本、紅杉中國等，均為私人資本。
公開資料顯示，能量奇點(diǎn)由多名理論物理、等離子體物理和高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的海外歸國專家聯(lián)合創(chuàng)辦，員工已從最初的4個(gè)創(chuàng)始人增長至現(xiàn)在的100多名。其創(chuàng)始人楊釗2009年入讀北京大學(xué)物理系，之后又在斯坦福大學(xué)物理系攻讀了理論物理方向博士。
2024年6月，由能量奇點(diǎn)研發(fā)建造的托卡馬克裝置“洪荒70”，實(shí)現(xiàn)等離子體放電，成為全球首臺由商業(yè)公司建造的全超導(dǎo)托卡馬克，以及全球4臺在運(yùn)行的全超導(dǎo)托卡馬克之一，同時(shí)也創(chuàng)造了全球超導(dǎo)托卡馬克裝置研發(fā)建造的最快紀(jì)錄。
除核工業(yè)西南物理研究院外，能量奇點(diǎn)在建設(shè)“洪荒70”的過程中也與上海電氣核電集團(tuán)達(dá)成合作研發(fā)協(xié)議，而“洪荒70”的總體安裝則由中國核工業(yè)第五建設(shè)有限公司承建施工。
“我們可能做的是世界上最困難、最有挑戰(zhàn)性的事情，甚至可以把之一去掉?！眲?chuàng)業(yè)不到兩年，楊釗已發(fā)出感嘆。
翌曦科技：脫胎于上海交大高溫超導(dǎo)團(tuán)隊(duì)
與其他致力于可控核聚變商業(yè)化的初創(chuàng)企業(yè)不同，成立于2022年6月的翌曦科技，目標(biāo)是成為世界最強(qiáng)的高溫超導(dǎo)磁體公司，其研究領(lǐng)域覆蓋從高溫超導(dǎo)材料到工程應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈。
結(jié)合公開資料看，高溫超導(dǎo)強(qiáng)場磁體技術(shù)的突破，帶來新的緊湊型聚變堆技術(shù)路線，不僅成本大大降低，研發(fā)周期也大幅縮短。而“高溫超導(dǎo)強(qiáng)場磁體”即是翌曦科技的研發(fā)重點(diǎn)。
翌曦科技的核心成員，脫胎于上海交通大學(xué)高溫超導(dǎo)團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)始建于2010年，成員來自劍橋、MIT、DTU、清華、上海交大等國內(nèi)外頂尖名校和國家實(shí)驗(yàn)室。
2023年，翌曦科技與核工業(yè)西南物理研究院正式簽訂合同，將就高溫超導(dǎo)強(qiáng)場聚變磁體展開聯(lián)合設(shè)計(jì)。此次合作主要基于核工業(yè)西南物理研究院豐富的托卡馬克裝置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和翌曦科技對高溫超導(dǎo)材料與磁體的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通過對強(qiáng)場聚變磁體的聯(lián)合設(shè)計(jì)，加速該技術(shù)的研發(fā)進(jìn)程。
在翌曦科技創(chuàng)始人兼董事長金之儉看來，可控核聚變一旦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，能源市場的主導(dǎo)權(quán)將從資源控制國轉(zhuǎn)向技術(shù)控制國。
全球競逐“人造太陽”夢
可控核聚變投資在海外迅速升溫，是中國資本加速進(jìn)入這一領(lǐng)域的一個(gè)誘因。
根據(jù)聚變行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2021 年至2023年上半年，全球可控核聚變行業(yè)所獲得的總投資從20.3億美元激增至62.1億美元，其中59.4億美元來自私人資本。
英國：牛津背景企業(yè)，獲得騰訊投資
2022年2月，騰訊參與了英國核聚變技術(shù)研發(fā)商First Light Fusion（第一光聚變）的C輪融資。本輪融資的投資方除騰訊外，還包括牛津大學(xué)附屬投資公司牛津科學(xué)創(chuàng)業(yè)（OxfordScience Enterprises）、Hostplus、IP Groupplc、Braavos Capital等。
First Light Fusion是2011 年從牛津大學(xué)分離出來的初創(chuàng)企業(yè)，其使用的彈丸聚變技術(shù)利用彈丸撞擊含有核聚變?nèi)剂系哪繕?biāo)，使其內(nèi)爆達(dá)到核聚變發(fā)生所需要的溫度和密度。其計(jì)劃首座工廠于本世紀(jì)30年代完成。
除First Light Fusion外，英國還有TokamakEnergy（托卡馬克能源）、ENG8等企業(yè)也在進(jìn)行可控核聚變的研究工作。
Tokamak Energy成立于2009年，如今已完成B輪融資，累計(jì)融資額為2.5億美元。2023年5月，其與美國通用原子能公司簽署諒解備忘錄，將合作開發(fā)應(yīng)用于聚變能源等行業(yè)的高溫超導(dǎo)技術(shù)。ENG8成立于2020年，其在葡萄牙和英國設(shè)有研發(fā)中心和實(shí)驗(yàn)室，核心團(tuán)隊(duì)有14名科學(xué)家和工程師，其中8名是博士學(xué)位。
美國：創(chuàng)業(yè)公司最多、融資額最高
表2：海外可控核聚變企業(yè)融資一覽
美國是投資最為活躍的國家之一，從比爾·蓋茨（微軟聯(lián)合創(chuàng)始人）、山姆·奧爾特曼（Open AI聯(lián)合創(chuàng)始人）、杰夫·貝佐斯（亞馬遜創(chuàng)始人）等企業(yè)家，到谷歌、雪佛龍、老虎環(huán)球資本等機(jī)構(gòu)，接連涌入其中，期望以更高效、更靈活的風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)制，復(fù)制過去SpaceX在商業(yè)航天領(lǐng)域所取得的突出成績。
創(chuàng)下商業(yè)核聚變行業(yè)單筆融資之最的，即是一家名為Commonwealth Fusion System（聯(lián)邦聚變系統(tǒng)，簡稱“CFS”）的美國公司。2021年12月，CFS從比爾·蓋茨、谷歌、老虎基金等手中拿到超過18億美元融資。
CFS于2018年成立，其技術(shù)團(tuán)隊(duì)源于麻省理工學(xué)院，總部位于美國馬薩諸塞州。CFS利用一種新的釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)材料，做出了一臺小型托克馬克裝置SPARC。其計(jì)劃2030 年建成商用核聚變發(fā)電廠，并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。
就在CFS完成融資的一個(gè)月前，美國另一家名為Helion Energy（氦核能源）的初創(chuàng)企業(yè)也獲得了山姆·奧爾特曼等投資人的5億美元E輪融資，這是其此前5輪融資總額的5.5倍。
Helion Energy在2021 年6 月宣布，其第六臺原型聚變發(fā)生器Trenta已實(shí)現(xiàn)超過1億攝氏度的高溫，這使之成為全球首家達(dá)到該水平的私營聚變研究企業(yè)。2023年，微軟與HelionEnergy簽署購電協(xié)議，后者宣布其第一座核聚變發(fā)電廠計(jì)劃將于2028年運(yùn)營。
2024年8月，聚變公司Type One Energy宣布獲得8250 萬美元的融資，領(lǐng)投方是蓋茨創(chuàng)辦的突破能源風(fēng)險(xiǎn)投資（BreakthroughEnergy Ventures）?？偛课挥谙饦鋷X的Type One Energy，使用田納西州已退役的燃煤電廠，建造核聚變原型仿星器Infinity One（無限一號），計(jì)劃2030年前完成反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，以便第三方開始建造。
根據(jù)方正證券不完全統(tǒng)計(jì)，如GeneralFusion（ 通用聚變）、Zap Energy（Zap 能源）等企業(yè)也獲得了上億美元級別的大額融資（表2）。
商業(yè)機(jī)構(gòu)之外，美國政府也在加大投資力度。
早在2022年，白宮科學(xué)技術(shù)政策辦公室和美國能源部共同主辦了首次白宮核聚變峰會，提出加速商業(yè)核聚變能可行性的“十年宏偉愿景”，強(qiáng)調(diào)了政府公共部門與私營聚變公司合作的重要性。
2023年5月，美國能源部宣布，8家研究核聚變能源的美國公司將獲得4600萬美元的資金，用于開發(fā)核聚變發(fā)電試點(diǎn)工廠，其中包括CFS以及Helion Energy。
2023年12月，隨著美國在第28屆聯(lián)合國氣候變化大會上宣布聚變能源國際參與計(jì)劃，其核聚變的商業(yè)化進(jìn)程將再度提速。而在同月，我國可控核聚變未來產(chǎn)業(yè)推進(jìn)會也在成都舉辦，由包括中國核工業(yè)集團(tuán)在內(nèi)的25家央企、科研院所、高校等組成的可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體正式宣布成立。
2024年4月，美國聚變工業(yè)協(xié)會向國會提議，為聚變商業(yè)化追加30億美元投資。顯然，可控核聚變的研發(fā)正在成為一場全球競賽。從政府到商業(yè)機(jī)構(gòu)，巨資注入會否加速研發(fā)進(jìn)程？可控核聚變離商業(yè)化應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？
商業(yè)化：“SpaceX時(shí)刻”何時(shí)到來？
當(dāng)前，人類獲取核能的方式主要有兩種：重核裂變，輕核聚變。
核裂變，就是利用帶有一定能量的中子，轟擊質(zhì)量較重的原子核，讓其分裂成兩個(gè)或多個(gè)質(zhì)量較輕的原子核，從而釋放出中子和能量。原子彈爆炸、核電站發(fā)電都屬于這一類應(yīng)用。
核聚變，則是讓兩個(gè)比較輕且速度超高的原子核相撞后發(fā)生聚合，變成一個(gè)較重的原子核并釋放出能量。太陽的能量、氫彈的威力，都來自于此。
由于氫是宇宙中最輕的元素，因此，最易實(shí)現(xiàn)的核聚變，是讓氫的同位素氘和氚聚合在一起，產(chǎn)生氦和1個(gè)中子，這一反應(yīng)也被稱為氘氚聚變。
從能量釋放看，常見的核裂變，是將鈾235裂變?yōu)殒J和氙，一克鈾235完全裂變所釋放的能量，接近于7噸木柴完全燃燒。而與核裂變相比，核聚變的質(zhì)能轉(zhuǎn)換率可以提高518.5%，并且，核聚變所需要的燃料氫元素，占據(jù)了宇宙質(zhì)量的73.9%，易于獲取，無怪乎其成為能源“圣杯”。
不過，達(dá)成氘氚聚變反應(yīng)，并不容易。
由于氘核、氚核都帶正電荷，會彼此排斥，因此，首先，需要通過1億度的高溫、數(shù)百萬乃至數(shù)千萬帕的高壓使之電離，變成等離子體，讓原子核從電子的包覆中裸露出來；其次，讓原子核擁有足夠的動能，克服庫倫斥力，相互碰撞，發(fā)生聚變反應(yīng)。
由于核聚變，尤其是磁約束核聚變，主要就是在研究等離子體，因此，合肥等離子體所在這一領(lǐng)域的核心地位，可見一斑。
在現(xiàn)實(shí)中，氫彈是以原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓，來引爆氘氚聚變。而相比氫彈爆炸時(shí)能量的稍縱即逝，人類要持續(xù)可控地獲得核聚變的巨大能量，難度可想而知。
三大技術(shù)難點(diǎn)
談及可控核聚變商業(yè)化的難點(diǎn)，楊釗將其拆分為三個(gè)核心問題，第一是實(shí)現(xiàn)有商業(yè)意義的能量增益；第二是長時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；第三是聚變裝置有氚自持的能力。
先來看第一點(diǎn)。由于引爆核聚變要輸入能量，因此要實(shí)現(xiàn)凈能量輸出，需要釋放的能量大于輸入的能力，即二者的比值要大于1。而這一比值，俗稱Q值，學(xué)名叫能量增益因子，是評估核聚變裝置能效的一個(gè)重要參數(shù)。1957年，由英國物理學(xué)家勞遜提出“聚變?nèi)胤e”公式，即等離子體的溫度、密度、約束時(shí)間三者的乘積超過10的21次方，才能實(shí)現(xiàn)凈能量輸出。
第二點(diǎn)是氘核、氚核在高溫、高壓下變成等離子體后，在聚變裝置內(nèi)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)間。一般情況下，核聚變裝置實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用的前提是Q＞30，以及穩(wěn)態(tài)等離子體運(yùn)行時(shí)間超過240小時(shí)。
再來看第三點(diǎn)。氚自持亦是近年各大企業(yè)研究的重點(diǎn)。根據(jù)券商研究，氚是核聚變反應(yīng)所需的燃料當(dāng)中最稀缺的。地球自然環(huán)境中任一時(shí)刻擁有的氚只有幾公斤。一項(xiàng)2018年的預(yù)測顯示，彼時(shí)全球可用的氚庫存約為25公斤，并將在2030年之前達(dá)到頂峰，此后隨著被出售和衰變而穩(wěn)步下降。而由多國參與的“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆”（簡稱“ITER”）項(xiàng)目一旦開始運(yùn)行可以產(chǎn)生能量的氘氚反應(yīng)堆，每年將消耗1公斤的氚。因此，必須想辦法在核聚變的過程中不斷產(chǎn)生氚，也就是實(shí)現(xiàn)氚自持。
如今，無論是Q值、高Q值下等離子體的運(yùn)行時(shí)間，還是氚自持，初創(chuàng)公司都還有很多難點(diǎn)需要解決。
多技術(shù)突破，引領(lǐng)可控核聚變發(fā)展
早在20世紀(jì)50年代，科學(xué)家便以提升Q值、延長等離子體運(yùn)行時(shí)間為目標(biāo)，提出了一個(gè)設(shè)想，即利用磁約束原理，建造一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的磁場裝置，通過外部手段將裝置加熱到1億攝氏度以上，使氘核、氚核變?yōu)榈入x子體后，受電磁力的作用束縛在裝置中，并沿著磁感線相互碰撞，從而實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的長時(shí)間可控。
1958 年，蘇聯(lián)以磁約束為原理，建成世界上首個(gè)托卡馬克磁約束核聚變裝置“T-1”。1968 年，這個(gè)形狀酷似一個(gè)“甜甜圈”的聚變裝置實(shí)現(xiàn)了十億分之一的Q值，性能遠(yuǎn)超其他聚變裝置，從而掀起全球?qū)ν锌R克研究的熱潮。
1985年，由于聚變裝置研發(fā)進(jìn)展緩慢，美國、蘇聯(lián)在日內(nèi)瓦峰會上提出了共同開發(fā)ITER項(xiàng)目的設(shè)想，并于2001年完成設(shè)計(jì)報(bào)告。2006年起，中國、歐盟成員國、美國、俄羅斯、韓國和日本等35 個(gè)國家簽署協(xié)議共同參與建設(shè)ITER。根據(jù)公開資料，ITER以托卡馬克為主要技術(shù)路徑，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)Q值在3―5區(qū)間內(nèi)的長時(shí)間穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，為商用核聚變堆的建造奠定科學(xué)基礎(chǔ)。
最初，科學(xué)家預(yù)測該項(xiàng)目將在2016年、投入65 億美元完成建設(shè)并投入運(yùn)行，但其卻屢次延期。2024 年7 月，國際原子能機(jī)構(gòu)宣布，該目標(biāo)可能到2034 年才能實(shí)現(xiàn)，而項(xiàng)目的建設(shè)成本或高達(dá)250 億歐元，可控核聚變商業(yè)化也被科學(xué)家們戲稱“永遠(yuǎn)還有50 年”。中國在ITER項(xiàng)目中主要負(fù)責(zé)磁體支撐系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)等18 個(gè)采購包的實(shí)物貢獻(xiàn)，約占總成本的9%。
導(dǎo)致ITER延期的一個(gè)原因，是早期材料及水平的限制，托卡馬克只能通過擴(kuò)大裝置尺寸，提升等離子體的約束能力。有券商研報(bào)指出，在沒有超導(dǎo)材料或其他技術(shù)加成的情況下，托卡馬克建得越大，其等離子體約束能力和凈能量輸出能力便越好。根據(jù)公開資料，項(xiàng)目建成后，ITER裝置的高度、直徑將分別達(dá)到30米、28米。
而正如2017年橫空出世的Transformer架構(gòu)引領(lǐng)著人工智能走向了新紀(jì)元，如今，在可控核聚變領(lǐng)域，高溫超導(dǎo)、先進(jìn)物理甚至人工智能等技術(shù)的突破，也令其商業(yè)化進(jìn)程開始加速。
例如，CFS利用一種新的釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)材料，做出了一臺小型托克馬克裝置SPARC，其體積只有ITER的2%，建設(shè)預(yù)算為10億美元，磁場強(qiáng)度是卻是ITER的2倍。
高溫超導(dǎo)的應(yīng)用，令可控核聚變裝置的建設(shè)周期及成本大幅降低，也讓資本看到該技術(shù)商業(yè)化的希望。
此外，2022年，谷歌旗下的AI實(shí)驗(yàn)室DeepMind利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)首次控制了核聚變過程，次年改進(jìn)后的算法將等離子體形狀進(jìn)度提高了65%，訓(xùn)練時(shí)間也減少了3倍，這意味著，能夠在不改變聚變裝置硬件的前提下，提高聚變性能。
在技術(shù)路徑上，Helion Energy的原型聚變發(fā)生器Trenta采用的磁慣性聚變，即是一種創(chuàng)新的聚變途徑，它結(jié)合了磁約束聚變（MCF）和慣性約束聚變（ICF）的許多理想特性。
表3：各類核聚變裝置對比
值得一提的是，除托卡馬克外，在核聚變商業(yè)化進(jìn)程加速的過程中，新的技術(shù)路徑正不斷涌現(xiàn)。根據(jù)聚變行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，截至2023年7月，國內(nèi)外最廣泛的核聚變途徑分別是磁約束、慣性約束，分別有21家、9家公司，還有5家公司同時(shí)進(jìn)行磁約束和慣性約束的研究；使用最廣泛的磁約束聚變途徑是托卡馬克和仿星器，均為6家公司。
慣性約束是利用粒子的慣性作用來約束離子體本身，從而實(shí)現(xiàn)核聚變。盡管這一原理具有較高的溫度、密度等特征，能夠在Q值上實(shí)現(xiàn)突破，但由于約束時(shí)間較短，更主要的應(yīng)用方向是軍事。而仿星器則是磁約束原理下除托卡馬克外的另一技術(shù)路徑，其是類似于“麻花”形狀的環(huán)形裝置，該結(jié)構(gòu)被認(rèn)為能更好地控制等離子體，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本過高等缺點(diǎn)（表3）。
盡管由政府主導(dǎo)的ITER進(jìn)展緩慢，但私人資本入局、關(guān)鍵技術(shù)突破以研發(fā)路徑的創(chuàng)新，令可控核聚變的商業(yè)化步伐提升到前所未有的速度。根據(jù)券商研究，目前實(shí)現(xiàn)最長的穩(wěn)態(tài)等離子約束時(shí)間是8 分鐘，由德國W7-X仿星器在2023年創(chuàng)造，而最高Q值為1.5，由美國慣性約束聚變裝置NIF在2022年創(chuàng)造。在國內(nèi)，EAST在2023年4 月成功實(shí)現(xiàn)了6分43秒的穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運(yùn)行時(shí)間，創(chuàng)造了托卡馬克裝置高約束模式運(yùn)行新的世界紀(jì)錄。
2021年，General Fusion首席執(zhí)行官ChrisMowry直言道，“可控核聚變已經(jīng)到了‘SpaceX時(shí)刻’”。
混合堆研發(fā)加速，氚自持或迎刃而解
過去很長一段時(shí)間，科學(xué)家將大量精力放在Q值和等離子體約束時(shí)間的提升上，并不斷取得突破。但隨著商業(yè)化的臨近，氚自持這一難點(diǎn)開始成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。
面對挑戰(zhàn)，“聚變―裂變”混合堆正成為一個(gè)新的技術(shù)路徑。根據(jù)券商研究，混合堆能夠同時(shí)解決可控和自持的問題，更具備商業(yè)化的可能性。其運(yùn)行原理，一方面是聚變堆中的氘和氚反應(yīng)后，產(chǎn)生高能中子，這些中子撞擊外層鈾-238或釷-232，裂變反應(yīng)發(fā)生，釋放能量，同時(shí)，撞擊生成的核燃料可以循環(huán)利用，再次燃燒產(chǎn)生能源。另一方面，高能中子撞擊外層的鋰-6后形成氚，這些氚又能再次作為聚變堆的燃料。
在混合堆的研發(fā)上，我國已逐步聚焦于Z箍縮聚變―裂變混合堆這一技術(shù)路徑。其中，合肥等離子體所在2000年已在開展混合堆概念的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。2023年11月12日，由核工業(yè)西南物理研究院全資控股的中核聚變（成都）設(shè)計(jì)研究院有限公司與江西聯(lián)創(chuàng)光電超導(dǎo)應(yīng)用有限公司簽訂全面戰(zhàn)略合作框架協(xié)議。雙方計(jì)劃各自發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，采用全新技術(shù)路線，聯(lián)合建設(shè)“聚變―裂變”混合實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目，技術(shù)目標(biāo)為Q＞30，實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電功率100MW，工程總投資預(yù)計(jì)超過200億元。
江西聯(lián)創(chuàng)光電超導(dǎo)應(yīng)用有限公司的大股東為江西省電子集團(tuán)有限公司，后者旗下的聯(lián)創(chuàng)光電（600363）自2013年起重點(diǎn)發(fā)力高溫超導(dǎo)業(yè)務(wù)，2023年投產(chǎn)世界首臺MW級高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備。
商業(yè)化加速，產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)芤?/h3>
種種趨勢表明，隨著多個(gè)重要項(xiàng)目進(jìn)入建設(shè)階段，國內(nèi)可控核聚變產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張的趨勢將進(jìn)一步加速。2017 年，中國推出了比ITER規(guī)模更大的聚變工程實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆CFETR，該項(xiàng)目由合肥等離子體所、核工業(yè)西南物理研究院等多個(gè)單位聯(lián)合研發(fā)，計(jì)劃到2035年建成，開始大規(guī)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)；聚變新能在2023年8月已經(jīng)開展BEST裝置的多項(xiàng)招標(biāo)項(xiàng)目，并明確規(guī)劃了“聚變實(shí)驗(yàn)裝置―聚變工程示范堆―商業(yè)聚變電站”三大發(fā)展階段；以“洪荒70”作為關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)平臺，能量奇點(diǎn)正投入研發(fā)下一代強(qiáng)磁場高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置“洪荒170”，該裝置以實(shí)現(xiàn)Q＞10為目標(biāo)。
除EAST、BEST、HT-7、CFETR之外，合肥等離子體所還在推動聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施CRAFT的研發(fā)工作。CRAFT主要面向磁約束核聚變堆，開展近堆芯等離子體行為研究，并對超導(dǎo)磁體和偏濾器等關(guān)鍵部件在聚變堆條件下的可靠性、穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行探究和評估。2022年3月，CRAFT園區(qū)正式在合肥交付啟用，其全面建成后，將是最高參數(shù)和最完備功能的磁約束核聚變研究平臺，能保證未來聚變工程堆建設(shè)和關(guān)鍵部件研發(fā)的順利進(jìn)行。
結(jié)合券商研究數(shù)據(jù)，除聯(lián)創(chuàng)光電外，如今處于可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈中的上市公司還包括國光電氣（聚變能裝置核心零部件，688776）、航天晨光（核工業(yè)基礎(chǔ)件，600501）、西部超導(dǎo)（可控核聚變超導(dǎo)材料，688122）、永鼎股份（高溫超導(dǎo)帶材，600105）、合鍛智能（聚變堆真空室，603011）等，它們或?qū)⒃诳煽睾司圩儺a(chǎn)業(yè)的高速擴(kuò)張中受益。
但大舉進(jìn)入的資本，也將面臨耐力考驗(yàn)。根據(jù)美國聚變能產(chǎn)業(yè)協(xié)會在2023年針對可控核聚變企業(yè)的一項(xiàng)調(diào)研數(shù)據(jù)，在商業(yè)可行性上，有18家公司預(yù)測它們將在2035年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，另外13家公司預(yù)計(jì)到2040年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
換言之，資本要在可控核聚變中收獲回報(bào)，至少需要10年時(shí)間的等待。而不少投資人對此也有充分預(yù)期。
“投資人其實(shí)很專業(yè)，并沒有和星環(huán)聚能簽訂嚴(yán)苛的投資條款，他們更關(guān)心的是技術(shù)路線、團(tuán)隊(duì)配置等。只是公司最好要有自身造血的能力，在等待融資的過程中，能夠把團(tuán)隊(duì)維持住。對投資人來說，這就足夠了?！标愪J曾表示。
不過，除了實(shí)現(xiàn)可控核聚變商業(yè)化本身，不少初創(chuàng)企業(yè)也在開拓新的變現(xiàn)途徑。
在譚熠看來，核聚變宛如一棵原始的科技樹。其中的某個(gè)枝杈拉出來，似乎都能長成一個(gè)行業(yè)的參天大樹。
2021年，看到海外可控核聚變初創(chuàng)企業(yè)接連獲得資本投資，陳銳和譚熠決定All in可控核聚變。根據(jù)星環(huán)聚能官網(wǎng)，其目標(biāo)是在2032年量產(chǎn)聚變電站，此外，公司在聚變衍生技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面也不斷加速，全自主研發(fā)的聚變輔助系統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向場景應(yīng)用與商業(yè)推廣階段，產(chǎn)品包括隔離放大器、硬件積分器、脈沖功率電源、數(shù)字孿生操作平臺等，如今相關(guān)產(chǎn)品已達(dá)到百萬級營收。
未來10年，還有哪些資本將參與這一科技制高點(diǎn)的競逐？身處其中的企業(yè)又將如何加速可控核聚變產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化？其中進(jìn)展值得關(guān)注。
