核聚變反應(yīng)無需燃燒化石燃料，可實(shí)現(xiàn)零碳排放，也不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命的放射性廢物，因此被稱為世界清潔安全的能源之一。此外，核聚變能燃料儲(chǔ)量豐富，海水中含有大量的核聚變?nèi)剂蠚涞耐凰仉Ｓ捎谇鍧崱踩①Y源無限，核聚變或?qū)⒊蔀槿祟惤鉀Q能源問題的終極方案。

自 20 世紀(jì) 50 年代以來，物理學(xué)家們一直試圖利用為太陽(yáng)提供能量的核聚變反應(yīng)，但直到去年12 月，還沒有任何研究小組能夠從該反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”。

去年12 月13 日，美國(guó)能源部部長(zhǎng)和加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的科學(xué)家們共同宣布，首次成功在可控核聚變反應(yīng)中“點(diǎn)火”，即在聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應(yīng)的能量，實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”。該實(shí)驗(yàn)向目標(biāo)輸入了2.05 兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15 兆焦耳的聚變能量輸出，能量增益達(dá)到153%。

美國(guó)能源部長(zhǎng)詹妮弗·格蘭霍姆稱，這項(xiàng)“21 世紀(jì)令人印象深刻的科技?jí)雅e之一”為人類提供核聚變商業(yè)化的可能性，未來有望成為人類擺脫化石能源的束縛、獲得零排放能源道路的里程碑。

此后，勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一系列測(cè)試，但都未能完全實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。今年6月時(shí)，一次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了能量的盈虧平衡。

直到7月30日，研究人員才在實(shí)驗(yàn)中再次實(shí)現(xiàn)了聚變點(diǎn)火。根據(jù)《金融時(shí)報(bào)》8月6日消息，據(jù)三位了解初步結(jié)果的人士透露，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在此次實(shí)驗(yàn)中再次實(shí)現(xiàn)了聚變點(diǎn)火，產(chǎn)生了去年比12月更高的能量輸出。

該實(shí)驗(yàn)室證實(shí)其激光設(shè)施再次實(shí)現(xiàn)了能量增益，兩名了解初步結(jié)果的人士表示，7 月份實(shí)驗(yàn)的初步數(shù)據(jù)顯示能量輸出超過 3.5兆焦耳，超過了去年12月的3.15 兆焦耳，這些能量大約足以為家用熨斗供電一個(gè)小時(shí)。

勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)言人表示，研究人員正在對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，并將在隨后即將召開的科學(xué)會(huì)議和同行評(píng)審出版物中報(bào)告這些結(jié)果。

圖說：美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室核聚變點(diǎn)火裝置

來源：路透社

01 什么是核聚變？

核聚變反應(yīng)與太陽(yáng)和其他恒星釋放能量的原理相同，因此被科學(xué)界稱為“小太陽(yáng)”，也被喻為能源領(lǐng)域的“圣杯”（holy grail）。具體來說，就是兩個(gè)較輕的原子（例如氘和氚）結(jié)合成較重的原子核（例如氦）和一個(gè)很輕的核（或粒子）的一種核反應(yīng)形式，在這個(gè)過程中會(huì)釋放出巨大的能量。

圖說：核聚變?nèi)绾芜M(jìn)行

來源：BBC

氫彈就是一種不可控的核聚變，會(huì)產(chǎn)生恐怖的破壞力，想通過核聚變產(chǎn)生人類可用的能源，就必須要實(shí)現(xiàn)可控核聚變。目前主要有三種形式的可控核聚變：重力場(chǎng)約束核聚變，激光慣性約束核聚變和磁約束核聚變，其中后兩種形式為主流。

慣性約束聚變（ICF）是實(shí)現(xiàn)受控核聚變的途徑之一， 它是通過內(nèi)爆對(duì)熱核燃料進(jìn)行壓縮， 使其達(dá)到高溫高密度，在內(nèi)爆運(yùn)動(dòng)過程中慣性約束下實(shí)驗(yàn)熱核點(diǎn)火和燃燒，從而獲取聚變能的方法。激光聚變是用激光作為驅(qū)動(dòng)源的，因而也成為激光約束聚變。此次，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣布取得新突破的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF） 就是其采用“慣性約束路線”制造的，總共耗費(fèi)35 億美元，是世界上最大的激光器。

圖說：慣性約束聚變

來源：金融時(shí)報(bào)，中國(guó)日?qǐng)?bào)

核聚變的另一個(gè)技術(shù)路線是磁約束聚變，也稱為“托卡馬克核聚變”。磁約束核聚變，就是用特殊形態(tài)的磁場(chǎng)把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的超高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使它受控制地發(fā)生大量的原子核聚變反應(yīng)，釋放出能量。

圖說：磁約束托卡馬克裝置結(jié)構(gòu)示意圖

來源：IAEA，中信證券研究部

該路線的主攻方向之一是采用是托卡馬克（Tokamak）裝置。這是一種環(huán)形容器，用磁場(chǎng)形成一個(gè)“磁籠”將等離子體束縛住，創(chuàng)造氘、氚實(shí)現(xiàn)聚變的環(huán)境和超高溫，實(shí)現(xiàn)受控核聚變。除了托卡馬克反應(yīng)堆，仿星器也是一種磁約束裝置，不過仿星器在等離子體的密度與溫度上比托卡馬克相比有不小的差距，所以仿星器在并沒有成為主流。

02 全球研究情況如何？

世界科技領(lǐng)先國(guó)家和地區(qū)已重視起可控核聚變對(duì)人類的戰(zhàn)略意義，均為可控核聚變的研究投入了大量人力物力，也獲得了一系列重要成果。根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，截至2022 年年底，全世界約有130 個(gè)國(guó)有或私營(yíng)實(shí)驗(yàn)性聚變裝置，其中90 個(gè)正在運(yùn)行，12個(gè)在建，28 個(gè)處于計(jì)劃中。歐盟、美國(guó)、中國(guó)在核聚變研究中各有所長(zhǎng)，相較而言，托卡馬克技術(shù)比“慣性約束聚變”的技術(shù)應(yīng)用更加廣泛。

（1）歐盟：最早攻克大型托卡馬克裝置，領(lǐng)頭開發(fā)其它概念的磁約束裝置；

圖說：歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆和德國(guó)ASDEX-U 裝置360 度示意

來源：EUROfusion，ITER，海通國(guó)際

1984 年，由歐洲多國(guó)共同合作建造的歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（JointEuropean Torus，JET）宣布建成。根據(jù)維基百科，JET 成為當(dāng)時(shí)世界上最大的托卡馬克聚變裝置，目前仍保持聚變能量增益因子（Q 值）的世界紀(jì)錄（Q=0.67）。1991年首個(gè)包含氚的實(shí)驗(yàn)完成，使 JET 成為世界首個(gè)使用 50–50 的氚和氘混合生產(chǎn)燃料運(yùn)行的反應(yīng)堆。1997 年性能改良后的 JET 創(chuàng)下了最接近科學(xué)盈虧平衡的記錄，達(dá)到Q = 0.67。除此之外，歐洲各國(guó)都擁有先進(jìn)的托卡馬克裝置，包括德國(guó)的的ASDEXU、意大利的FTU、英國(guó)的MAST、法國(guó)的WEST 等。

（2）美國(guó)：最活躍的核聚變研究國(guó)之一，兼顧兩種主流核聚變方式；

1982 年，普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室宣布美國(guó)首款托卡馬克聚變?cè)囼?yàn)反應(yīng)堆 （TFTR）建成投入使用。TFTR 緊隨JET 取得聚變功率輸出，聚變能量增益因子（Q 值）達(dá)0.28。隨后美國(guó)通用原子能公司發(fā)布尺寸較小、更靈活的DIII-D 裝置，并完成了更多的先進(jìn)托卡馬克裝置實(shí)驗(yàn)研究。

圖說：美國(guó)托卡馬克聚變?cè)囼?yàn)反應(yīng)堆（TFTR）和阿爾卡特 C-Mod 裝置

來源：：維基百科，海通國(guó)際

2009年，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）啟用，最初是為了通過模擬爆炸來測(cè)試核武器，隨后被用于推進(jìn)核聚變的研究。2016 年10 月，美國(guó)麻省理工學(xué)院在阿爾卡特（Alcator）C-Mod Alcator C-Mod創(chuàng)造了磁約束聚變裝置體積平均等離子體壓強(qiáng)的世界紀(jì)錄（2.05 個(gè)大氣壓），等離子體壓強(qiáng)首次超過了兩個(gè)大氣壓，其中等離子體每秒發(fā)生300 萬億次聚變反應(yīng)。2019 年11 月，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的等離子體線性實(shí)驗(yàn)（PLX），結(jié)合了磁約束和慣性約束兩種主流核聚變方式的優(yōu)勢(shì)，對(duì)制造出核聚變能量，提升其生產(chǎn)效率具備實(shí)用價(jià)值。

（3）中國(guó)：核聚變研究后來居上，研發(fā)不斷加速；

中國(guó)最先進(jìn)的托卡馬克裝置為中科院等離子體物理研究所的“東方超環(huán)”EAST 和中核工業(yè)西南物理研究院的環(huán)流器二號(hào)HL-2M。“東方超環(huán)”EAST于2006 年正式建成，成為我國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的國(guó)際首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置。“東方超環(huán)”近年來屢次創(chuàng)造世界紀(jì)錄，今年4月12日，其實(shí)現(xiàn)了高功率穩(wěn)定的403 秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了托卡馬克裝置穩(wěn)態(tài)高約束模運(yùn)行新的世界紀(jì)錄。

圖說：中國(guó)東方超環(huán)East和HL-2M托卡馬克裝置360 度示意

來源：新浪財(cái)經(jīng)，鳳凰新聞，海通國(guó)際

HL-2M 現(xiàn)用于核聚變研究，特別是研究從等離子體中提取熱量。根據(jù)新華社報(bào)道，2022 年10 月21 日我國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”HL-2M“托卡馬克”裝置取得突破性進(jìn)展，等離子體電流突破1 兆安培，距離可控核聚變點(diǎn)火又近了一步，可在此基礎(chǔ)上常規(guī)開展前沿科學(xué)研究。

圖說：神光二號(hào)激光裝置

來源：上海光機(jī)所

在激光慣性約束方面，神光二號(hào)是我國(guó)2002 年成功研制的大型激光裝置，建在中科院上海光機(jī)所，由成百臺(tái)光學(xué)設(shè)備集成在一個(gè)足球場(chǎng)大小的空間內(nèi)，可十億分之一秒的超短瞬間內(nèi)可發(fā)射出相當(dāng)于全球電網(wǎng)電力總和數(shù)倍的強(qiáng)大功率，從而釋放出極端壓力和高溫。神光二號(hào)核聚變?cè)囼?yàn)同本次突破的NIF 采用同樣的技術(shù)路線，未來有望進(jìn)一步提高激光能量。

03 資本涌入，可控核聚變商業(yè)化加速

核聚變未來最主要的應(yīng)用場(chǎng)景將是發(fā)電，相較于傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電廠，核聚變有可能提供幾乎無限的清潔能源，幾乎不產(chǎn)生溫室氣體或有害污染物。而相較于光伏、風(fēng)電，核聚變發(fā)電廠可以連續(xù)運(yùn)行，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力來源。

“凈能量增益”的實(shí)現(xiàn)，則從理論上驗(yàn)證了核聚變商業(yè)化的可能性。美國(guó)能源部也將首次可控核聚變點(diǎn)火“成功”視為通向聚變商業(yè)發(fā)電的里程碑式技術(shù)突破。

過往核聚變研究主要由國(guó)家機(jī)構(gòu)以及多個(gè)國(guó)家間的合作來主導(dǎo)，但自2021 年始，私人資本加速進(jìn)入可控核聚變領(lǐng)域，且主要集中在小型商用托卡馬克領(lǐng)域。

圖說：核聚變初創(chuàng)企業(yè)的融資輪次及融資金額

來源：騾子科技，民生證券研究院

2021年11 月，OpenAI CEO Sam Altman、PayPal 合創(chuàng)始人Peter Thiel 等硅谷名流和風(fēng)投機(jī)構(gòu)向Helion 投資了5 億美元。在Helion 融資的一個(gè)月后，從麻省理工學(xué)院獨(dú)立出來的核聚變創(chuàng)業(yè)公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）宣布完成了大額融資，這也是到目前為止在可控核聚變領(lǐng)域最大的單筆融資。這筆18 億美元的融資，超過之前所有核聚變創(chuàng)業(yè)公司融資之和，甚至超過美國(guó)政府當(dāng)年給核聚變研究的經(jīng)費(fèi)撥款。包括比爾蓋茨、索羅斯等在內(nèi)的明星投資人和老虎環(huán)球基金、谷歌的母公司Alphabet、Marc Benioff、DFJ Growth 等一眾巨頭紛紛入局CFS。

在國(guó)內(nèi)，“冷門”的核聚變商業(yè)化賽道，也在不知不覺中“熱”起來了。

圖說：星環(huán)聚能SUNIST-2球形托卡馬克

來源：千龍網(wǎng)

技術(shù)源自清華大學(xué)工程物理系核能所聚變團(tuán)隊(duì)的星環(huán)聚能在2022年6月完成數(shù)億元天使輪融資，該輪融資由順為資本、昆侖資本、紅杉種子基金、險(xiǎn)峰長(zhǎng)青等多家知名機(jī)構(gòu)聯(lián)合完成，資金將用于小型化、商業(yè)化、快速迭代的可控聚變能裝置的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和研發(fā)。近日，星環(huán)聚能研發(fā)的SUNIST-2球形托卡馬克建成并開展了首輪運(yùn)行，獲得第一等離子體。

圖說：“洪荒70”高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置示意圖

來源：能量奇點(diǎn)

同樣成立于2021年的能量奇點(diǎn)，于去年2月完成首輪融資，融資金額近4億元人民幣，由米哈游和蔚來資本共同領(lǐng)投，紅杉中國(guó)種子基金和藍(lán)馳創(chuàng)投跟投。今年4月28日，能量奇點(diǎn)對(duì)外宣布其已完成近4億元Pre-A輪融資，投資方包括ENLIGHTENMENT、米哈游等，本輪融資的資金將主要用于經(jīng)天磁體和奇門系統(tǒng)研發(fā)。

據(jù)研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，商業(yè)化聚變領(lǐng)域近年來成立的創(chuàng)業(yè)公司數(shù)量迅速攀升至近40 家，其中近一半公司在過去5 年間成立。這些初創(chuàng)公司也獲得大量的投資，僅在2022 年一年內(nèi)就從風(fēng)投機(jī)構(gòu)獲得了約50 億美元的資金。這意味著，在資本的助推下，這個(gè)賽道遍地開花的時(shí)代來了。

04 寫在最后

可控核聚變的商業(yè)化應(yīng)用前景美好，但距離實(shí)現(xiàn)仍需數(shù)十年的持續(xù)研究。美國(guó)能源部部長(zhǎng)表示，核聚變商業(yè)化大概率有望縮短到幾十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。但建造可控核聚變發(fā)電廠任務(wù)艱巨，目前如何降低核聚變的成本，提高能量?jī)粼鲆姹稊?shù)是科學(xué)與企業(yè)界未來實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

不過好消息是，近期人工智能和超導(dǎo)領(lǐng)域的突破將會(huì)對(duì)核聚變產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響，或?qū)@著縮短其商業(yè)化開發(fā)周期。核聚變研究自身涉及復(fù)雜的物理過程和海量的數(shù)據(jù)，人工智能可以用來優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)、開發(fā)更準(zhǔn)確的等離子體行為模型。超導(dǎo)技術(shù)，則可以解決托卡馬克裝置中電阻和損耗的問題。

蘇聯(lián)物理學(xué)家、托卡馬克之父列夫·阿齊莫維奇（Lev Artsimovich）曾說過一句至理名言：“當(dāng)整個(gè)社會(huì)都需要的時(shí)候，聚變就會(huì)實(shí)現(xiàn)。”一位了解結(jié)果的人士表示，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）在取得初步突破“僅八個(gè)月”后就取得了改善，這進(jìn)一步表明進(jìn)展速度正在加快。

在技術(shù)突破和資本助推下，可控核聚變的新時(shí)代將加速到來。