日前，在四川省成都市召開的可控核聚變未來產(chǎn)業(yè)推進(jìn)會(huì)上，中核集團(tuán)聯(lián)合25家央企、科研院所及高校共同組建了可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體，宣布中國聚變能源有限公司（籌）成立，同時(shí)發(fā)布了首批未來能源關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)任務(wù)。消息一出，可控核聚變商業(yè)化應(yīng)用的話題引發(fā)熱議。
可控核聚變具有資源豐富、環(huán)境友好、固有安全等優(yōu)勢(shì)，是目前認(rèn)識(shí)到的能夠最終解決人類能源問題的重要途徑之一，“人造太陽”則是利用核聚變能源的關(guān)鍵裝置。作為理想的未來能源，可控核聚變實(shí)現(xiàn)難度極高，但我國在這一領(lǐng)域的突破嘗試已展現(xiàn)出了技術(shù)前景。
商業(yè)價(jià)值被證實(shí)
“人造太陽”常常出現(xiàn)在科幻小說中,如今正加快進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界。
在陜西省西安市城北，一座10米高乳黃色廠房中有一顆球形裝置。該裝置便是陜西星環(huán)聚能科技有限公司（以下簡稱“星環(huán)聚能”）打造的“人造太陽”。今年一季度，該裝置將首次把內(nèi)部加熱到1700萬攝氏度，超過太陽核心1500萬攝氏度的高溫。據(jù)了解，星環(huán)聚能自2021年成立以來，已募集超6億元人民幣風(fēng)險(xiǎn)投資，其理想化目標(biāo)是在2032年前后實(shí)現(xiàn)可控核聚變技術(shù)的商業(yè)化發(fā)電。
同時(shí)，上海市、安徽省合肥市和河北省廊坊市等地，類似實(shí)驗(yàn)設(shè)施正興起。星環(huán)聚能天使投資者、中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊稱：“可控核聚變可能是能源領(lǐng)域的一次重大革命，與量子計(jì)算和人工智能革命不相上下?！?/p>
核聚變技術(shù)與現(xiàn)有核電站的核裂變技術(shù)原理不同。核裂變是通過較重原子核的分裂獲能，核聚變則是將較輕原子核聚合為更重的原子核，模擬太陽等恒星的發(fā)光發(fā)熱過程。國際原子能機(jī)構(gòu)總干事拉斐爾·馬里亞諾·格羅西曾指出，核聚變每千克燃料產(chǎn)生的能量是核裂變的4倍，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)化石燃料，是清潔能源的未來。
盡管自1952年首次氫彈試驗(yàn)以來，核聚變一直未在發(fā)電領(lǐng)域取得實(shí)質(zhì)性突破，但2021年，高溫超導(dǎo)技術(shù)取得突破，核聚變?cè)谫Y本市場破冰。美國公司Helion在2021年11月獲得5億美元融資，其投資者包括OpenAI創(chuàng)始人薩姆·奧爾特曼等。加拿大GeneralFu-sion和美國麻省理工學(xué)院孵化的CommonwealthFusionSystems（CFS），也分別完成了大額融資，投資方包括老虎環(huán)球基金、谷歌以及微軟創(chuàng)始人比爾·蓋茨等，表明資本市場對(duì)核聚變技術(shù)的信心日益增強(qiáng)。
聚變行業(yè)協(xié)會(huì)（FIA）2023年發(fā)布的第三份年度報(bào)告《全球核聚變行業(yè)報(bào)告》稱，全球核聚變行業(yè)投資從2022年的48億美元增至2023年的62.1億美元，有13家初創(chuàng)企業(yè)加入核聚變的開發(fā)。其中，23家企業(yè)預(yù)計(jì)，2035年前全球首座核聚變電廠將投入使用。
翌曦科技創(chuàng)始人兼董事長、上海市高溫超導(dǎo)材料與系統(tǒng)工程技術(shù)中心主任金之儉表示：“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。”
高溫超導(dǎo)破冰
在中國核聚變技術(shù)的發(fā)展浪潮中，市場化資本的力量顯著。2021年成立的能量奇點(diǎn)和星環(huán)聚能，至今共募集約14億元人民幣資金，顯現(xiàn)出私營資本對(duì)此技術(shù)的高度關(guān)注。同時(shí)，國家支持的中國科學(xué)院等離子體物理研究所（下稱“等離子體所”）與中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院（下稱“西物院”）也在核聚變領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
2023年，與等離子體所合作的聚變新能有限公司（下稱“聚變新能”）在合肥市建設(shè)緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置BEST，中核集團(tuán)和江西省政府聯(lián)合建設(shè)投資超200億元人民幣的可控核聚變項(xiàng)目……這些舉措標(biāo)志著中國在核聚變技術(shù)上的加速發(fā)展。
星環(huán)聚能創(chuàng)始人兼CEO陳銳表示，盡管建造可控核聚變裝置還面臨非常多的難題，但其物理原理已相對(duì)明確，比如聚變堆反應(yīng)溫度條件等。關(guān)鍵在于如何在已知的工程技術(shù)中找到最佳組合，以滿足核聚變的嚴(yán)苛條件。
氘和氚是最易實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的氫同位素。雖然海水中氘儲(chǔ)量豐富，但氚極為稀缺。同時(shí)，核聚變的實(shí)現(xiàn)需要高溫和高壓環(huán)境，而在地球上模擬太陽的條件并非易事。可控核聚變反應(yīng)要么通過壓縮聚變?nèi)剂现翗O高密度來實(shí)現(xiàn)（慣性約束路線），要么通過將燃料加熱至上億攝氏度高溫形成等離子體氣體（磁約束路線）。
慣性約束路線目前逐漸成為技術(shù)主流，但聚變反應(yīng)所需的1億攝氏度的溫度是太陽表面溫度的2萬倍。為聚變反應(yīng)打造一個(gè)合適的容器是最大挑戰(zhàn)。
據(jù)了解，托卡馬克裝置是目前最成熟的聚變堆設(shè)計(jì)方案，其使用超導(dǎo)材料產(chǎn)生強(qiáng)磁場，將等離子體約束在真空室中心，避免與反應(yīng)堆壁接觸。國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）項(xiàng)目，正是基于這一設(shè)計(jì)。盡管ITER項(xiàng)目自啟動(dòng)起就命運(yùn)多舛，不斷更改設(shè)計(jì)，但高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展，尤其YBCO（釔鋇銅氧）二代高溫超導(dǎo)材料的逐漸成熟，為聚變堆的小型化提供了可能。
金之儉指出，CFS自2018年成立以來，一直在關(guān)注高溫超導(dǎo)材料的商用潛力，并在全球范圍內(nèi)尋找供應(yīng)商。
“人造太陽”三步走
核聚變技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程正贏得資本市場的關(guān)注。CFS拿到超過18億美元B輪投資，震動(dòng)業(yè)界，表明可控核聚變技術(shù)正在從長期科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓪?shí)現(xiàn)的投資機(jī)會(huì)。2022年6月，國內(nèi)多家投資機(jī)構(gòu)，包括順為資本、中科創(chuàng)星等12家機(jī)構(gòu)，共同投資星環(huán)聚能2億元人民幣，顯示出市場對(duì)這一領(lǐng)域的高度期待。
CFS的融資成功激勵(lì)了陳銳，并認(rèn)為現(xiàn)在是可控核聚變技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。他表示，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)除了等離子體所和西物院外，單靠國家經(jīng)費(fèi)已難以支撐研發(fā)，因此市場化發(fā)展成為必然趨勢(shì)。米磊等投資者的快速?zèng)Q策顯示出他們對(duì)核聚變領(lǐng)域發(fā)展速度及其巨大潛力的認(rèn)可。
星環(huán)聚能的發(fā)展規(guī)劃分為三步：第一步是建立原理驗(yàn)證裝置，計(jì)劃在今年一季度完成；第二步是構(gòu)建技術(shù)驗(yàn)證裝置CTRFR-1，一臺(tái)接近聚變堆要求的中型高溫超導(dǎo)球形托卡馬克，預(yù)計(jì)2027年實(shí)現(xiàn)；第三步則是打造商用示范堆CTRFR-2，將與業(yè)界合作驗(yàn)證聚變堆的燃料循環(huán)、功率輸出、抗中子與熱負(fù)荷材料等問題，計(jì)劃2032年實(shí)現(xiàn)。這一路徑突顯了星環(huán)聚能在磁重聯(lián)技術(shù)和多沖程重復(fù)運(yùn)行方式上的獨(dú)特之處，表明其在核聚變領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。
國家支持的項(xiàng)目也在加速。合肥市等離子體所在聚變領(lǐng)域研究已逾40年，其東方超環(huán)EAST是一臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，2023年4月創(chuàng)下了托卡馬克裝置高約束模式運(yùn)行的世界紀(jì)錄。等離子體所不僅計(jì)劃用低溫超導(dǎo)技術(shù)建成聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施“夸父”（CRAFT），還成立了聚變新能公司，采用高溫超導(dǎo)磁體，分實(shí)驗(yàn)堆、工程堆、商業(yè)堆三步走。
這些實(shí)踐表明，中國在核聚變領(lǐng)域正迎來民營企業(yè)和“國家隊(duì)”的共同發(fā)力。陳銳認(rèn)為，民營企業(yè)雖然在研發(fā)人數(shù)和融資規(guī)模上不及“國家隊(duì)”，但在承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)轉(zhuǎn)效率上具有優(yōu)勢(shì)，希望政策層面能支持不同路線的研究，以推動(dòng)聚變能商業(yè)化多元化發(fā)展。
有業(yè)內(nèi)人士指出，核聚變是一個(gè)資本密集型行業(yè)，面對(duì)全球融資環(huán)境變化，企業(yè)需要吸引更多投資者以跨越種子輪和A輪之后的“死亡之谷”。隨著民營企業(yè)和“國家隊(duì)”的相繼進(jìn)入，中國在核聚變領(lǐng)域的競爭格局將更為清晰。
不確定的未來？
當(dāng)前，有人將對(duì)可控核聚變技術(shù)的探索類比為在商業(yè)航天領(lǐng)域的開拓。前者與后者有著相同的長周期、資本密集、高技術(shù)門檻等特性，但又因前者獨(dú)特的技術(shù)挑戰(zhàn)而被另當(dāng)別論。作為一項(xiàng)更加前沿的科技，可控核聚變技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)的可能性尚存疑問，所有企業(yè)都在探索尚未被開拓的領(lǐng)域。
核聚變發(fā)電面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)極為復(fù)雜。除了需要長時(shí)間維持高溫等離子體運(yùn)行以產(chǎn)生足夠的聚變反應(yīng)，還要考慮燃料的及時(shí)補(bǔ)充、反應(yīng)堆壁材料的耐高溫性能，以及高效轉(zhuǎn)化聚變能量為電力的問題。目前還沒有一款聚變堆能同時(shí)解決這些關(guān)鍵問題，導(dǎo)致各家企業(yè)都處于試錯(cuò)階段。
目前，全球的核聚變探索還未形成統(tǒng)一的技術(shù)方向，使得更多投資者持觀望態(tài)度。聯(lián)想集團(tuán)副總裁、聯(lián)想創(chuàng)投合伙人王光熙認(rèn)為，核聚變領(lǐng)域的現(xiàn)狀與量子計(jì)算類似，存在多條理論至實(shí)踐的路徑，每條路線都面臨著各自的技術(shù)難題。
此外，核聚變技術(shù)的監(jiān)管和安全問題也是關(guān)鍵考慮因素。英國在核聚變監(jiān)管方面較為超前，而國際原子能機(jī)構(gòu)則認(rèn)為核聚變過程本質(zhì)上是安全的，因?yàn)樗蕾嚾剂系倪B續(xù)輸入，聚變反應(yīng)可以迅速自行停止。
盡管核聚變技術(shù)的商業(yè)化前景充滿不確定性，核聚變行業(yè)協(xié)會(huì)仍對(duì)其持樂觀態(tài)度，認(rèn)為多元化的技術(shù)探索將增加實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的機(jī)會(huì)。除了發(fā)電，核聚變技術(shù)在星際旅行方面也具有潛在應(yīng)用價(jià)值。作為劉慈欣所著科幻小說《三體》的忠實(shí)讀者，陳銳寄望未來能將核聚變技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)力飛船，實(shí)現(xiàn)人類的星際旅行夢(mèng)想。
《 中國城市報(bào) 》（ 2024年01月15日 第08 版）
