核聚变的“SpaceX时刻”何时到来？

作者 | 木南

编辑 | 九月

电影《流浪地球》中，太阳即将毁灭，地球生态环境恶化，寸草不生，全体人类不得不转移到地下，建起了一座可容纳35亿人的地下城。为了自救，科学家们试图制造一万座行星发动机，推动地球逃出太阳系，寻找下一个适合人类生存的恒星系。

每一座推进式行星发动机高达11公里，可以提供150万亿吨的推力，使用的燃料便是被称为“人类终极能源”的核聚变。

可控核聚变被认为有望提供近乎无限的清洁能源，不过现实世界中始终流传一个段子，“人类距离实现可控核聚变永远还有三五十年”。

但2021年以来，国内外风险资本对可控核聚变的关注却迎来高点。

据报道，核聚变工业协会（FIA）最新发布的报告显示，过去一年，核聚变领域的私人投资额高达28.3亿美元，一年的投资额超过了此前的投资总和。

今年上半年，国内2家成立不足1年的商业可控核聚变企业被投资机构争抢，相继完成两笔数亿元首轮融资，投资方囊括了十余家国内明星资本。在科技投资普遍保持谨慎的2022年，VC组团奔向这块能源领域商业处女地——可控核聚变，无疑吸引众多关注。

既然可控核聚变技术尚未成熟，国内外明星资本此时大举进入，是否为时过早？与国家队相比，创业公司的商业机会又在哪里？

带着这些问题，「甲子光年」采访了多位关注该领域的投资人，试图揭开可控核聚变半掩的面纱。

1.“国内愿意研究核聚变的人可能只有个位数”

2019年，在中欧商学院一门课程的收尾阶段，一位老教授提起可控核聚变，不无激动，“中国一旦能够掌握可控核聚变，中华民族的伟大复兴指日可待。”

元禾原点合伙人乐金鑫坐在台下，至今对这个场景印象深刻。这是他关注可控核聚变的起点，但当时，这个超前技术在国内创投圈几乎鲜有人关注。

彼时他没想到，3年后，自己与合伙人投资了一家商用可控核聚变创业公司星环聚能，从见团队到确定投资，整个决策过程发生在一周之内。

乐金鑫告诉「甲子光年」，今年上半年，他与星环聚能创始人陈锐第一次见面，先对齐了投资需求。乐金鑫知道可控核聚变的重要性，但这次交流让他意识到，团队对这个前沿技术仍认知尚浅，亟需“补课”。

他立即带着团队前往成都，拜访了核工业西南物理研究院——它隶属于中国核工业集团， 成立于20世纪60年代，是中国最早从事核聚变能源开发的专业研究院。

这趟旅行帮助元禾原点在最短时间内系统了解了中国核聚变现状及发展史，“学成归来”，乐金鑫与星环聚能技术负责人谭熠又进行了第二次线上交流，结束后，便决定投资。乐金鑫强调，决策时间短，不意味着“拍脑袋”做决定，团队经过调研相信，“可控核聚变商业化一旦成功，前景广阔”。

除元禾原点外，星环聚能身后还站着顺为资本、昆仑资本、中科创星、远镜创投、和玉资本、红杉种子基金、险峰长青、九合创投、联想之星、英诺天使基金、华方资本等10多家知名机构。

中科创星的决策更迅速。中科创星创始合伙人米磊对投中网提到，今年2月，他与陈锐和谭熠聊了两个小时的技术，“就决定投了”。

除了星环聚能，另一家能量奇点同样受到资本青睐。

今年2月，能量奇点完成近4亿元人民币的首轮融资，米哈游和蔚来资本领投，红杉中国种子基金和蓝驰创投跟投。

这两家商用可控核聚变创业公司有着“双胞胎”一般的相似性：成立都未满一年、创始团队堪称豪华、上半年都拿到数亿元首轮融资，此外，它们都没有建成可成功运行的可控核聚变装置。

但资本组团，出手快狠准，一个主要原因是国内商用可控核聚变创业项目稀缺，目前只有这两家公司。

“国内能做可控核聚变的团队极少，”险峰长青合伙人赵阳告诉「甲子光年」，“国内高校研究所里的核物理人才，大部分都是搞核裂变的，因为出了成果马上就可以产业化落地。愿意研究核聚变的可能只有个位数，这个行业门槛非常高，外行不太可能进得来。可控核聚变是人类能源的终极解决方案，遇到合适的团队，我们就果断出手了。”

在企业技术与商业成果尚未明朗时，早期投资往往是在投“人”。

查看星环聚能创始团队履历，核心技术团队来自清华大学工程物理系核能所聚变团队——该团队拥有 20 年球形托卡马克装置的运行经验，创始人陈锐与公司技术负责人谭熠同时在清华大学任职多年。

能量奇点团队融合了“海外”基因。公开资料显示，能量奇点由多名理论物理、等离子体物理和高温超导领域的海外归国专家联合创办，团队成员来自斯坦福大学、北京大学、清华大学等多所国内外名校及研究院所。

除豪华的团队阵容外，让十余家明星资本一齐出动，还有一个“外力”——商业化可控核聚变在海外受资本追捧，撩拨着国内VC的神经。投资能量奇点的米哈游总裁刘伟直言，“最近十年，随着几项关键技术的突破，商业公司和风险投资开始大举进入这个领域，这种趋势在美国尤为明显。

据英国《金融时报》的不完全统计显示，2021年，美国商业化核聚变吸引到的投资规模高达23亿欧元（约合27.6亿美元）。

其中，创下可控核聚变私人投资最高纪录的美国公司Commonwealth Fusion Systems（CFS），在2021年11月，宣布完成超过18亿美元的B轮融资，用于将聚变能源商业化，比尔盖茨、索罗斯、Marc Benioff、谷歌母公司Alphabet、DFJ Growth等一众大佬纷纷参投。

在众多国内外投资人及专家学者眼中，可控核聚变的边际收益足够高，一旦实现商业化，足以改变整个人类文明的发展方向。

但对更多人来说，“人类终极能源”可控核聚变，仍然是一个遥远而陌生的技术。

2.为什么是“人类终极能源”？

人类第一次见识核聚变的威力，可以追溯到1952年，美国引爆了世界上第一颗氢弹。

氢弹的爆炸是一种核聚变反应。美国这枚代号为艾薇·迈克（Ivy Mike）的氢弹，释放了10万兆吨的爆炸能量，是投在日本的原子弹的700倍，被引爆的岛屿蒸发，留下164英尺深的爆炸坑。

人们谈起核能，总是难掩对核辐射的恐惧。事实上，核能并不等同于核辐射。核能有两种形式：聚变能和裂变能。让人“谈核色变”的核辐射，主要来自于后者。

核裂变是把大质量、不稳定的原子核，分裂成质量更轻的原子核。能量释放时，会产生核辐射，原子弹与现有的商用核电站均利用裂变能。相比之下，核聚变与太阳释放能量的过程相同，是两个小质量的原子核结合成更大质量的原子核，这个过程不产生核辐射威胁，而且能够释放出核裂变3~4倍的能量。

在1970年代，中国知名核物理学家陈春先为了推动国内研究核聚变，通常用“海水变石油”的形象比喻四处游说。这是因为核聚变通常是氘或氚的聚合，其中，氘在海水中就能找到，理论上，1升海水中的氘核聚变产生的能量相当于300升石油。

原料丰富，安全，也不会产生核辐射与核废料，近乎“源源不尽”且能量巨大的核聚变，很快被推上了“人类终极能源”的宝座。

科学家希望攻克可控核聚变，并因为核裂变从军事转为应用只花了10年，大家对可控核聚变走入现实也普遍抱着更乐观的心态。

但实现可控核聚变的难度，远超人类想象。

在地球上，温度要达到约1.5亿摄氏度，才能够激发核聚变反应，远高于太阳核心层的1500万摄氏度。要知道，地球上大多耐热材料在4000万摄氏度左右便会熔为一滩液体。此外，等离子体状态极不稳定，稍有偏差，就可能恢复到最初的平静状态。

因此，研究可控核聚变最大难处是制造一种装置，受得住超高温，避免装置外壁被等离子体冲撞，还能将等离子体约束起来持续反应。

上世纪60年代，前苏联科学家安德烈·萨哈罗夫发明出名为“托卡马克”的聚变反应装置，可以满足上述“既要、又要、还要”的严苛要求，也成了此后数十年全球核聚变研究的重点方向。

（这个形似“甜甜圈”的环形装置，通电时，内部真空室会产生巨大的螺旋磁场，被加热到上亿度的等离子体会在磁场约束下在“甜甜圈”内绕圈。）

在托卡马克出现后，实现可控核聚变，拆分成了3个直观的工程问题：

• 找到耐受高温的真空室第一壁材料；

• 寻找约束性更强的装置形态；

• 尽可能延长反应时间。

目前，多个国家都致力掌握核聚变技术。国内外一些研究机构已经能够在很短的时间内运行托卡马克，但这还远远不够，装置的性能距离目标差距很大。

在经济性上，业内常用“Q值”衡量反应堆性能，可粗略理解为反应堆输出能量与输入能量之比。只有当Q值大于1时，托卡马克才能有基本的经济性。

但现实很骨感。1984年，欧洲联合环状反应堆 （JET） 在英国建成，这是目前规模最大的核聚变反应堆。但JET输出与输入能量比值Q仅为0.67，已经是当下的世界最高纪录。

延长反应时间也是一个国际难题。

未来，人类希望用可控核聚变代替化石能源来发电，装置持续稳定运行尤其重要。但目前成功运行的托卡马克装置，反应时间仅能以秒计算。

在2021年12月的实验中，JET实现了在5秒内产生59兆焦耳的持续能量，打破该装置在1997年的纪录，并创造了新的世界能源纪录。这个结果让科学界兴奋——欧洲核聚变研发创新联盟项目主管唐恩一度感慨，“如果我们能维持5秒的核聚变，未来扩大运作规模，就可以维持5分钟，然后是5小时。”

除了JET，另一个不容忽略的是核聚变反应堆是ITER （国际热核聚变实验堆） ，这是目前世界上最大的聚变计划，在1985年由美苏牵头启动。由于牵涉国家利益较多，ITER计划上演了长达十年的“选址纠纷”。直到2006年，ITER反应堆正式启动建设，参与方包括中国、欧盟成员国、美国、俄罗斯、韩国和日本等35个国家，至今已花费超240亿美元，仍未完工。

（ITER 组装现场）

中国可控核聚变的研究与世界几乎同步。

上世纪50年代，中国开启聚变研究。1980年代，中国建造了第一个托卡马克装置。40年后的今天，中国已有三座成功运行的国产托卡马克装置。其中，中国自主设计的东方超环EAST，是世界首个全超导托卡马克装置，坐落于安徽合肥中国科学院合肥物理科学研究所。

近些年，EAST接连不断的技术突破，备受国际关注：

• 2018年，EAST实现1亿摄氏度等离子体运行等重大突破，获得的实验参数，接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件；

• 2021年5月，EAST实现了1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒的等离子体运行；
• 2021年12月，EAST实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。

技术每向前一步，都让科学家对可控核聚变的未来更加乐观。

今年1月，一个由超百名科学家组成的团队在《自然》杂志上发表了4项实验成果。据报道，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室国家点火装置获得了“燃烧等离子体”，这意味着核聚变燃烧可以由反应本身产生的热量来维持，而不是靠输入的激光能量。研究人员称，实验产生了高达0.17兆焦耳的能量，但仍小于启动核聚变过程所需的1.9兆焦耳的能量。他们下一步的目标是实现“点火”，即核聚变反应产生的能量大于其消耗的能量。

“整个氛围都变了，我们感觉离目标越来越近了。”德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所的核聚变专家Thomas Klinger在接受《自然》采访时感慨。

3.核聚变的“SpaceX时刻”何时到来？

积极情绪也开始从实验室传导至投资机构和创业公司。

可以看到的是，在过去一年，世界范围内关于可控核聚变的投资案件创下新高，在国内，星环聚能与能量奇点两家国内可控核聚变创业公司均在2021年下半年成立。

据Fusion Industry Association （FIA） 统计，2022年，可控核聚变私营企业数量达到33家，其中有6家公司的融资额超过了2亿美元。

图片来源：FIA统计过去30年成立的可控核聚变创业公司

但Q值仍是挂在托卡马克上的一道枷锁。世界上仍未有一座托卡马克实现Q值大于1，这意味着现有的托卡马克并不具有经济性，更不用说实现商业化。

对此，星环聚能技术负责人谭熠曾对投中网表示，商用可控核聚变确实需要“较长的建设周期”和“较大规模的投入”才能实现商业化落地，并未明确表示具体期限。

但一个关键问题是，在可控核聚变领域，多年来都是以国家队为主力进行技术突破。要知道，除了极高的技术门槛，大科学装置的运行非常昂贵。BBC曾报道，光是开启机器，每天就要花费15万美元。

此时创业公司入场，是否为时过早？

可以拿核聚变与航天做对比。米磊曾说，看到星环聚能时，直觉就像2016年看到自动驾驶或商业航天。

两者有相似之处：二者前期发展均集中在政府机构层面开展，在技术达到一定成熟度后，商业资本注入将为产业带去更多活力。加拿大核聚变公司GF的首席执行官Mowry甚至认为，“聚变行业的SpaceX时刻”已经到来。

但两者也有明显区别。在乐金鑫看来，商业航天和商用可控核聚变的商业能力明显不在一个级别。

商业航天的发展是站在巨人肩上看世界。当国家科研体系已经相对完善时，民企开始走上舞台。在这一背景下，商业航天在2016年迎来“元年”，成为国家航天业发展的有效补充力量。而可控核聚变的不同在于，世界各国至今均未形成一套成熟的落地方案，各自都正在迷雾中摸索前行。

不过，在一些投资人看来，SpaceX或许蹚出了一条可供参考的路。“SpaceX的出现给大家提供了一个很好的样本，在一些前沿科技领域，社会力量早些加入能够对整个行业的技术进展起到正向激励作用。”乐金鑫告诉「甲子光年」。

但可控核聚变技术仍有诸多工程性问题有待解决，创业公司的机会在哪里？

目前，业内对可控核聚变商业化的共同目标几乎达成共识：建立以可控核聚变为能源的商业发电站。

国家队与创业公司承担着不同的角色：国家队“直奔终点”，直接研究大型托卡马克装置，最终建造可控核聚变商用发电站；创业公司更像“摸着石头过河”，主攻小型托卡马克，开辟新的商业模式，让公司持续存活下去。

自托卡马克出现以来，大型装置一直占据主流。如果要在1997年问一位科学家如何保证托卡马克成功运行，得到的答案可能是：规模必须要大。但相比ITER之类的庞然大物，小型托卡马克装置的建设速度和迭代效率更优，更加适合创业公司的节奏。

星环聚能技术负责人谭熠曾介绍，“科研院所承担了大量科研任务，聚变实验装置各种功能都得具备，系统较为复杂；商业公司以性能指标为主导，装置及辅助系统相对简单一些。”

在商业模式上，“可控核聚变创业公司将成为发电站或电网的技术与设备提供商，参与到可控核聚变未来商业发电的生态中。”蓝驰创投投资总监孙登科告诉「甲子光年」。

此外，青域基金对「甲子光年」表示，商用可控核聚变装置的建设也会对超导材料形成批量需求，使超导材料成本进一步下降，长此以往，可控核聚变公司可与超导材料公司互为因果，相互促进，将会衍生出更多具有商业价值的落地场景。

成立于2019年的一家可控核聚变公司Crossfield Fusion也表示，公司的目标是生产出小型集装箱大小、可以在工厂批量生产的小型核聚变反应堆，预计其聚变反应堆技术在更大的聚变反应堆的应用中起到补充作用。在这个目标实现之前，该技术能够作为用于放射治疗、医用同位素生产和材料测试的高输出紧凑聚变中子源。

这便不难理解，为何投资人们纷纷在可控核聚变看似“遥遥无期”的当下，大胆押注。

可控核聚变技术仍有诸多工程性问题有待解决。几乎每个参与者在接受采访时都会强调，虽然托卡马克路线技术稳妥，距离真正商业化仍有诸多课题需要攻克——更好的技术、更多的钱，以及更长的建设周期。

但这并不妨碍建设者相信，它可能带给人类的光明未来。就如曾于1983年任麻省理工学院等离子核聚变中心副主任的劳伦斯·利茨基 （Lawrence Lidsky） 在《核聚变的困难》一文中写道的那样：

“核聚变是一个教科书式范例，对科学家和工程师来说都是一个好问题。许多人认为这是有史以来最难解决的科学和技术问题，但它仍然屈服于我们的努力。”