核聚变的“SpaceX时刻”何时到来？
作者|木南
编辑|九月
流浪地球里，太阳即将毁灭，地球生态环境恶化，寸草不生。所有的人类都要搬到地下，一座容纳35亿人的地下城已经建成。为了自救，科学家们试图建造一万个行星发动机，将地球推出太阳系，寻找下一个适合人类生存的恒星系统。
每个推进行星发动机高达11公里，可以提供15万亿吨的推力。使用的燃料是核聚变，被称为“人类的终极能源”。
受控核聚变被认为有望提供近乎无限的清洁能源，但现实世界中总有一种说法是“人类距离实现受控核聚变还有30到50年”。
然而，自2021年以来，国内外风险投资更加关注可控核聚变。
据报道，核聚变工业协会发布的最新报告显示，在过去的一年里，核聚变领域的私人投资达到了28.3亿美元，年度投资额超过了此前的总投资额。
今年上半年，国内两家成立不到一年的商用可控核聚变企业受到投资机构的角逐，先后完成了两笔数亿元的首轮融资。投资方包括十余家国内明星资本。在科技投资普遍谨慎的2022年，VC集团在能源场控核聚变领域向这块商业处女地进发，无疑吸引了不少目光。
既然受控核聚变的技术尚未成熟，国内外明星资本此时进入是否为时过早？相比国家队，创业公司的商机在哪里？
带着这些问题，《甲子光年》采访了多位关注这一领域的投资者，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，在中欧商学院的一门课程结束时，一位老教授兴奋地提到了受控核聚变。“一旦中国能够掌握可控核聚变，中华民族伟大复兴指日可待。”
河源合伙人乐金鑫坐在台下，被这一幕深深打动。这是他关注可控核聚变的起点，但当时这种先进技术在国内创投圈几乎无人问津。
当时他没想到，三年后，他和他的合伙人投资了星环能源，这是一家可控核聚变的商业初创公司。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，他第一次见到星环聚能创始人陈瑞，先把投资需求对准了。勒·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项前沿技术仍然知之甚少，需要“补课”。
他随即率队前往成都，参观了核工业西南物理研究所——它隶属于中国核工业集团公司，创建于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所。
此行帮助元和起源在最短的时间内系统了解了中国核聚变的现状和发展历史。“学习之后”，乐和星环聚能科技负责人进行了第二次在线交流。结束后，他们决定投资。勒·金鑫强调，决策时间短并不意味着“拍脑袋”做决定。经过调查，该团队认为“一旦可控核聚变的商业化成功，它将有一个光明的未来”。
除了元禾起源，还有顺为资本、昆仑资本、中科创兴、袁晶创投、何裕资本、红杉种子基金、险峰长青、九禾创投、联想之星、群创天使基金、方化资本等10余家知名机构。
中科创兴的决策更快。中科创星创始合伙人米勒向中国投资网提到，今年2月，他和陈瑞、覃逸谈了两个小时的技术，“决定投”。
除了星环聚能，另一种能量奇点也备受资本青睐。
今年2月，能源奇点完成首轮近4亿人民币融资，由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。
这两家可控核聚变领域的商业初创企业有着“双胞胎”的相似之处:成立不到一年，创始团队豪华，上半年都拿到了数亿元的首轮融资。另外，两人都没有造出成功的可控核聚变装置。
然而，资本组织快速准确的一个主要原因是国内可控核聚变商业创业项目的稀缺。目前只有这两家公司。
“中国能做可控核聚变的团队很少，”先锋常青合伙人赵阳告诉甲子光年。“国内大学研究所的核物理人才，大部分都是搞核裂变的，因为成果马上就可以产业化。愿意研究核聚变的人可能只有一个数量。这个行业门槛很高，外行人进不去的可能性不大。是人类能量在可控核聚变中的终极解决方案。当我们遇到合适的球队时，我们会果断出手。”
在企业的技术和商业成果尚未明确的情况下，早期投资的往往是“人”。
看星环聚能创始团队的简历，核心技术团队来自清华大学工程物理系核能研究所聚变团队——这个团队拥有20年球形托卡马克运行经验，创始人陈瑞和公司技术总监覃逸同时在清华大学工作多年。
奇点团队融入了“海外”基因。公开资料显示，能量奇点由多位理论物理、等离子体物理、高温超导领域的海外归国专家共同创立。团队成员来自斯坦福大学、北京大学、清华大学等国内外著名高校和科研院所。
除了豪华的团队阵容，还有另一股十余家明星资本齐出动的“外力”——商业可控核聚变在海外受到资本追捧，搅动着国内风投的神经。投资能源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规模进入这一领域，尤其是在美国。
据英国《金融时报》不完全统计，2021年，美国商业核聚变的投资规模高达23亿欧元。
其中，创下受控核聚变私人投资纪录的美国公司Commonwealth Fusion Systems于2021年11月宣布完成超18亿美元的B轮融资，将聚变能源商业化。比尔·盖茨、索罗斯、马克·贝尼奥夫、谷歌母公司Alphabet、DFJ成长等众多大佬都参与了投资。
在许多国内外投资者和专家学者看来，可控核聚变的边际收益很高，一旦商业化，足以改变整个人类文明的发展方向。
但对于更多人来说，人类的终极能源——可控核聚变，仍然是一项遥远而陌生的技术。
2.为什么是“人类终极能源”？人类第一次看到核聚变的威力，要追溯到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。代号为常春藤麦克的美国氢弹释放了10万兆吨的爆炸能量，是投在日本的原子弹的700倍。被引爆的岛屿蒸发了，留下了一个164英尺深的弹坑。
当人们谈论核能时，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”的核辐射主要来自后者。
核裂变是一个巨大而不稳定的原子核分裂成一个较轻的原子核。当能量释放时，会产生核辐射。原子弹和现有的商业核电站都使用裂变能。相比之下，核聚变与太阳能释放的过程相同，即两个小质量的原子核结合成一个更大质量的原子核。这个过程不会造成核辐射的威胁，可以释放出核裂变3-4倍的能量。
上世纪70年代，中国著名核物理学家陈春贤为了推动国内核聚变研究，曾用“海水变油”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，其中氘可以在海水中找到。理论上，1升海水中氘的核聚变产生的能量相当于300升石油。
原料丰富安全，不会产生核辐射和核废料。几乎“取之不尽，用之不竭”且能量巨大的核聚变，很快被推上了“人类终极能源”的宝座。
科学家们希望征服受控核聚变，由于核裂变从军事转化为应用仅用了10年时间，所以大家普遍对受控核聚变成为现实更加乐观。
但实现可控核聚变的难度远远超出人类的想象。
在地球上，温度必须达到1.5亿摄氏度左右才能激发核聚变反应，远高于太阳核心层的1500万摄氏度。要知道，地球上绝大部分耐热材料在4000万摄氏度左右就会融化成一滩液体。另外，等离子体状态极不稳定，稍有偏差，就可能回到最初的平静状态。
因此，研究受控核聚变最大的困难是制造一个能承受超高温的装置，防止装置外壁被等离子体碰撞，约束等离子体继续反应。
20世纪60年代，前苏联科学家安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)发明了被称为“托卡马克”的聚变反应装置，可以满足上述“既需要又需要”的严格要求，成为随后几十年全球核聚变研究的重点方向。
托卡马克出现后，可控核聚变的实现分为三个直观的工程问题:
●找到第一种能耐高温的真空空室壁材料；
●寻找更有约束力的装置形式；
●尽可能延长反应时间。
目前，许多国家都致力于掌握核聚变技术。国内外一些研究机构已经能够在短时间内运行托卡马克，但这还远远不够，装置的性能远没有达到目标。
经济学上，工业上常用“Q值”来衡量反应堆性能，大致可以理解为反应堆输出能量与输入能量的比值。只有Q值大于1，托卡马克才有基本经济性。
但现实是骨感的。1984年，欧盟环形反应堆在英国建成，是目前最大的核聚变反应堆。而射流输出与输入能量的比值q仅为0.67，是目前世界上最高的。
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发电，装置持续稳定运行尤为重要。而目前已经成功运行的托卡马克装置的反应时间只能以秒计算。
在2021年12月的实验中，JET在5秒内实现了59兆焦耳的连续能量，打破了该装置在1997年的记录，并创下了新的世界能量纪录。这一结果让科学界兴奋不已——欧洲核聚变RD与创新联盟项目主任汤恩曾感慨道，“如果我们能维持核聚变5秒，未来扩大运行规模，就能维持5分钟，然后5小时。”
除了JET，另一个不容忽视的核聚变反应堆是ITER，这是目前世界上最大的核聚变项目。它是由美国和苏联于1985年发起的。由于诸多国家利益，ITER计划上演长达十年的“选址之争”。直到2006年，ITER反应堆正式开工建设，参与者来自35个国家，包括中国、欧盟成员国、美国、俄国、南韩和日本。到目前为止，它已经花费了超过240亿美元，而且还没有完工。
可控核聚变的研究几乎与世界同步。
20世纪50年代，中国开始了聚变研究。20世纪80年代，中国建造了第一台托卡马克装置。40年后的今天，中国已有3台国产托卡马克装置成功。其中，中国自主设计的东超环是世界上第一台全超导托卡马克装置，位于安徽合肥中科院合肥物质科学研究院。
近年来，EAST的持续技术突破吸引了国际关注:
●2018年，EAST实现了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的物理条件；
●2021年5月，EAST实现了1.2亿摄氏度101秒，1.6亿摄氏度20秒的等离子体运行；
●2021年12月，EAST实现了1056秒长脉冲高参数等离子体运行，是目前世界上托卡马克装置中高温等离子体运行时间最长的一次。
技术的每一步进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100多名科学家组成的团队在《自然》杂志上发表了四项实验结果。据悉，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置(national ignition facility)获得了“燃烧等离子体”，这意味着核聚变燃烧可以通过反应本身产生的热量来维持，而不是通过输入激光能量来维持。研究人员表示，该实验产生了高达0.17兆焦耳的能量，但仍低于启动核聚变过程所需的1.9兆焦耳。他们的下一个目标是实现“点火”，即核聚变反应产生的能量大于消耗的能量。
“整个氛围都变了，我们觉得离目标越来越近了。”德国马普等离子体物理研究所核聚变专家托马斯·克林格在接受《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蔓延到投资机构和创业公司。
可以看出，在过去的一年里，全球可控核聚变的投资案例创下新高。在中国，2021年下半年成立了星环聚能和能源奇点两家国内控股的核聚变初创公司。
据聚变工业协会统计，2022年，受控核聚变的民营企业达到33家，其中6家公司融资超过2亿美元。
图片来源:国际汽联统计了过去30年成立的受控核聚变创业公司。
但Q值依然是挂在托卡马克上的枷锁。世界上还没有Q值大于1的托卡马克，这意味着现有的托卡马克都不经济，更不用说商业化了。
对此，星环聚能科技负责人覃逸曾对中国投资网表示，商业可控核聚变确实需要一个“漫长的建设周期”和“大规模的投入”才能实现商业化，但并未明确具体时限。
但一个关键问题是，在可控核聚变领域，多年来国家队一直是技术突破的主力军。要知道，除了极高的技术门槛，科学仪器的运行是非常昂贵的。英国广播公司曾报道说，仅仅打开机器一天就要花费15万美元。
创业公司进入市场是否为时过早？
你可以把核聚变和太空飞行相提并论。米勒曾经说过，当你看到星环的能量聚集时，你的直觉就像看到了2016年的自动驾驶或商业太空飞行。
两者有相似之处:两者的早期发展都集中在政府机构层面。技术达到一定成熟度后，商业资本注入会给行业带来更多活力。加拿大核聚变公司GF的首席执行官Mowry甚至认为“SpaceX聚变工业时刻”已经到来。
但两者也有明显的区别。在勒金鑫看来，商业航天和商业可控核聚变的商业能力显然不是一个级别的。
航天的发展就是站在巨人的肩膀上看世界。当国家科研体系已经比较完善的时候，民营企业开始走上舞台。在此背景下，商业航天在2016年迎来“元年”，成为国家航天事业发展的有效补充力量。可控核聚变和中国的区别在于，世界各国都还没有形成一套成熟的落地方案，都是在迷雾中摸索前进。
然而，在一些投资者看来，SpaceX可能找到了一条可供参考的道路。“SpaceX的出现为大家提供了一个很好的样本。在一些前沿科技领域，社会力量的早期参与，可以正面激励整个行业的技术进步。”勒金鑫告诉“甲子光年”。
但可控核聚变技术仍有许多工程问题需要解决。创业公司的机会在哪里？
目前，业界对受控核聚变商业化的共同目标几乎已经达成共识:建立一个以受控核聚变为能源的商业电站。
国家队和初创公司扮演着不同的角色:国家队“直奔终点”，直接研究大型托卡马克装置，最终建成可控核聚变中的商用电站；创业更像是“摸着石头过河”，专注于小托卡马克，开拓新的商业模式，让公司活下去。
自托卡马克出现以来，大型装置一直是主流。如果在1997年问一位科学家如何确保托卡马克的成功运行，答案可能是:规模必须很大。但相比ITER等巨头，小型托卡马克装置的建造速度和迭代效率更好，更适合创业公司的步伐。
环聚能技术负责人覃逸曾表示，“科研院所承担了大量科研任务，聚变实验装置必须具备各种功能，系统更加复杂；商业公司以性能指标为主，设备和辅助系统相对简单。”
在商业模式上，“受控核聚变创业公司将成为电站或电网的技术和设备提供商，参与未来受控核聚变商业发电的生态。”蓝驰创投投资总监孙告诉甲子光年。
此外，清宇基金对甲子光年表示，商用可控核聚变装置的建设也会批量创造对超导材料的需求，这将进一步降低超导材料的成本。从长远来看，受控核聚变公司和超导材料公司可以互为因果，相互促进，从而产生更多具有商业价值的落地场景。
成立于2019年的受控核聚变公司Crossfield Fusion也表示，其目标是生产小型容器大小的小型核聚变反应堆，可以在工厂中批量生产。预计其聚变堆技术将在更大聚变堆的应用中发挥补充作用。在这一目标实现之前，这一技术可用作高输出紧凑型聚变中子源，用于放射治疗、医用同位素生产和材料测试。
不难理解为什么投资者在可控核聚变似乎“遥遥无期”的时候大胆押注。
可控核聚变还有很多工程问题需要解决。几乎每一个参与者在接受采访时都会强调，虽然托卡马克路线在技术上是可行的，但在真正商业化之前还有很多问题需要克服——更好的技术、更多的资金、更长的建设周期。
但这并不妨碍建设者们相信它可能会给人类带来光明的未来。正如1983年时任麻省理工学院等离子体聚变中心副主任的劳伦斯·利茨基在《核聚变的困难》一文中所写:
“核聚变是一个教科书式的例子，这对科学家和工程师来说是一个很好的问题。很多人认为这是历史上最难的科技难题，但它仍然屈服于我们的努力。”
