核聚變的“SpaceX時刻”何時到來？

作者 | 木南

編輯 | 九月

電影《流浪地球》中，太陽即將毀滅，地球生態環境惡化，寸草不生，全體人類不得不轉移到地下，建起了一座可容納35億人的地下城。為了自救，科學家們試圖制造一萬座行星發動機，推動地球逃出太陽系，尋找下一個適合人類生存的恒星系。

每一座推進式行星發動機高達11公里，可以提供150萬億噸的推力，使用的燃料便是被稱為“人類終極能源”的核聚變。

可控核聚變被認為有望提供近乎無限的清潔能源，不過現實世界中始終流傳一個段子，“人類距離實現可控核聚變永遠還有三五十年”。

但2021年以來，國內外風險資本對可控核聚變的關注卻迎來高點。

據報道，核聚變工業協會（FIA）最新發布的報告顯示，過去一年，核聚變領域的私人投資額高達28.3億美元，一年的投資額超過了此前的投資總和。

今年上半年，國內2家成立不足1年的商業可控核聚變企業被投資機構爭搶，相繼完成兩筆數億元首輪融資，投資方囊括了十余家國內明星資本。在科技投資普遍保持謹慎的2022年，VC組團奔向這塊能源領域商業處女地——可控核聚變，無疑吸引眾多關注。

既然可控核聚變技術尚未成熟，國內外明星資本此時大舉進入，是否為時過早？與國家隊相比，創業公司的商業機會又在哪里？

帶著這些問題，「甲子光年」采訪了多位關注該領域的投資人，試圖揭開可控核聚變半掩的面紗。

1.“國內愿意研究核聚變的人可能只有個位數”

2019年，在中歐商學院一門課程的收尾階段，一位老教授提起可控核聚變，不無激動，“中國一旦能夠掌握可控核聚變，中華民族的偉大復興指日可待。”

元禾原點合伙人樂金鑫坐在臺下，至今對這個場景印象深刻。這是他關注可控核聚變的起點，但當時，這個超前技術在國內創投圈幾乎鮮有人關注。

彼時他沒想到，3年后，自己與合伙人投資了一家商用可控核聚變創業公司星環聚能，從見團隊到確定投資，整個決策過程發生在一周之內。

樂金鑫告訴「甲子光年」，今年上半年，他與星環聚能創始人陳銳第一次見面，先對齊了投資需求。樂金鑫知道可控核聚變的重要性，但這次交流讓他意識到，團隊對這個前沿技術仍認知尚淺，亟需“補課”。

他立即帶著團隊前往成都，拜訪了核工業西南物理研究院——它隸屬于中國核工業集團， 成立于20世紀60年代，是中國最早從事核聚變能源開發的專業研究院。

這趟旅行幫助元禾原點在最短時間內系統了解了中國核聚變現狀及發展史，“學成歸來”，樂金鑫與星環聚能技術負責人譚熠又進行了第二次線上交流，結束后，便決定投資。樂金鑫強調，決策時間短，不意味著“拍腦袋”做決定，團隊經過調研相信，“可控核聚變商業化一旦成功，前景廣闊”。

除元禾原點外，星環聚能身后還站著順為資本、昆侖資本、中科創星、遠鏡創投、和玉資本、紅杉種子基金、險峰長青、九合創投、聯想之星、英諾天使基金、華方資本等10多家知名機構。

中科創星的決策更迅速。中科創星創始合伙人米磊對投中網提到，今年2月，他與陳銳和譚熠聊了兩個小時的技術，“就決定投了”。

除了星環聚能，另一家能量奇點同樣受到資本青睞。

今年2月，能量奇點完成近4億元人民幣的首輪融資，米哈游和蔚來資本領投，紅杉中國種子基金和藍馳創投跟投。

這兩家商用可控核聚變創業公司有著“雙胞胎”一般的相似性：成立都未滿一年、創始團隊堪稱豪華、上半年都拿到數億元首輪融資，此外，它們都沒有建成可成功運行的可控核聚變裝置。

但資本組團，出手快狠準，一個主要原因是國內商用可控核聚變創業項目稀缺，目前只有這兩家公司。

“國內能做可控核聚變的團隊極少，”險峰長青合伙人趙陽告訴「甲子光年」，“國內高校研究所里的核物理人才，大部分都是搞核裂變的，因為出了成果馬上就可以產業化落地。愿意研究核聚變的可能只有個位數，這個行業門檻非常高，外行不太可能進得來。可控核聚變是人類能源的終極解決方案，遇到合適的團隊，我們就果斷出手了。”

在企業技術與商業成果尚未明朗時，早期投資往往是在投“人”。

查看星環聚能創始團隊履歷，核心技術團隊來自清華大學工程物理系核能所聚變團隊——該團隊擁有 20 年球形托卡馬克裝置的運行經驗，創始人陳銳與公司技術負責人譚熠同時在清華大學任職多年。

能量奇點團隊融合了“海外”基因。公開資料顯示，能量奇點由多名理論物理、等離子體物理和高溫超導領域的海外歸國專家聯合創辦，團隊成員來自斯坦福大學、北京大學、清華大學等多所國內外名校及研究院所。

除豪華的團隊陣容外，讓十余家明星資本一齊出動，還有一個“外力”——商業化可控核聚變在海外受資本追捧，撩撥著國內VC的神經。投資能量奇點的米哈游總裁劉偉直言，“最近十年，隨著幾項關鍵技術的突破，商業公司和風險投資開始大舉進入這個領域，這種趨勢在美國尤為明顯。

據英國《金融時報》的不完全統計顯示，2021年，美國商業化核聚變吸引到的投資規模高達23億歐元（約合27.6億美元）。

其中，創下可控核聚變私人投資最高紀錄的美國公司Commonwealth Fusion Systems（CFS），在2021年11月，宣布完成超過18億美元的B輪融資，用于將聚變能源商業化，比爾蓋茨、索羅斯、Marc Benioff、谷歌母公司Alphabet、DFJ Growth等一眾大佬紛紛參投。

在眾多國內外投資人及專家學者眼中，可控核聚變的邊際收益足夠高，一旦實現商業化，足以改變整個人類文明的發展方向。

但對更多人來說，“人類終極能源”可控核聚變，仍然是一個遙遠而陌生的技術。

2.為什么是“人類終極能源”？

人類第一次見識核聚變的威力，可以追溯到1952年，美國引爆了世界上第一顆氫彈。

氫彈的爆炸是一種核聚變反應。美國這枚代號為艾薇·邁克（Ivy Mike）的氫彈，釋放了10萬兆噸的爆炸能量，是投在日本的原子彈的700倍，被引爆的島嶼蒸發，留下164英尺深的爆炸坑。

人們談起核能，總是難掩對核輻射的恐懼。事實上，核能并不等同于核輻射。核能有兩種形式：聚變能和裂變能。讓人“談核色變”的核輻射，主要來自于后者。

核裂變是把大質量、不穩定的原子核，分裂成質量更輕的原子核。能量釋放時，會產生核輻射，原子彈與現有的商用核電站均利用裂變能。相比之下，核聚變與太陽釋放能量的過程相同，是兩個小質量的原子核結合成更大質量的原子核，這個過程不產生核輻射威脅，而且能夠釋放出核裂變3~4倍的能量。

在1970年代，中國知名核物理學家陳春先為了推動國內研究核聚變，通常用“海水變石油”的形象比喻四處游說。這是因為核聚變通常是氘或氚的聚合，其中，氘在海水中就能找到，理論上，1升海水中的氘核聚變產生的能量相當于300升石油。

原料豐富，安全，也不會產生核輻射與核廢料，近乎“源源不盡”且能量巨大的核聚變，很快被推上了“人類終極能源”的寶座。

科學家希望攻克可控核聚變，并因為核裂變從軍事轉為應用只花了10年，大家對可控核聚變走入現實也普遍抱著更樂觀的心態。

但實現可控核聚變的難度，遠超人類想象。

在地球上，溫度要達到約1.5億攝氏度，才能夠激發核聚變反應，遠高于太陽核心層的1500萬攝氏度。要知道，地球上大多耐熱材料在4000萬攝氏度左右便會熔為一灘液體。此外，等離子體狀態極不穩定，稍有偏差，就可能恢復到最初的平靜狀態。

因此，研究可控核聚變最大難處是制造一種裝置，受得住超高溫，避免裝置外壁被等離子體沖撞，還能將等離子體約束起來持續反應。

上世紀60年代，前蘇聯科學家安德烈·薩哈羅夫發明出名為“托卡馬克”的聚變反應裝置，可以滿足上述“既要、又要、還要”的嚴苛要求，也成了此后數十年全球核聚變研究的重點方向。

（這個形似“甜甜圈”的環形裝置，通電時，內部真空室會產生巨大的螺旋磁場，被加熱到上億度的等離子體會在磁場約束下在“甜甜圈”內繞圈。）

在托卡馬克出現后，實現可控核聚變，拆分成了3個直觀的工程問題：

• 找到耐受高溫的真空室第一壁材料；

• 尋找約束性更強的裝置形態；

• 盡可能延長反應時間。

目前，多個國家都致力掌握核聚變技術。國內外一些研究機構已經能夠在很短的時間內運行托卡馬克，但這還遠遠不夠，裝置的性能距離目標差距很大。

在經濟性上，業內常用“Q值”衡量反應堆性能，可粗略理解為反應堆輸出能量與輸入能量之比。只有當Q值大于1時，托卡馬克才能有基本的經濟性。

但現實很骨感。1984年，歐洲聯合環狀反應堆 （JET） 在英國建成，這是目前規模最大的核聚變反應堆。但JET輸出與輸入能量比值Q僅為0.67，已經是當下的世界最高紀錄。

延長反應時間也是一個國際難題。

未來，人類希望用可控核聚變代替化石能源來發電，裝置持續穩定運行尤其重要。但目前成功運行的托卡馬克裝置，反應時間僅能以秒計算。

在2021年12月的實驗中，JET實現了在5秒內產生59兆焦耳的持續能量，打破該裝置在1997年的紀錄，并創造了新的世界能源紀錄。這個結果讓科學界興奮——歐洲核聚變研發創新聯盟項目主管唐恩一度感慨，“如果我們能維持5秒的核聚變，未來擴大運作規模，就可以維持5分鐘，然后是5小時。”

除了JET，另一個不容忽略的是核聚變反應堆是ITER （國際熱核聚變實驗堆） ，這是目前世界上最大的聚變計劃，在1985年由美蘇牽頭啟動。由于牽涉國家利益較多，ITER計劃上演了長達十年的“選址糾紛”。直到2006年，ITER反應堆正式啟動建設，參與方包括中國、歐盟成員國、美國、俄羅斯、韓國和日本等35個國家，至今已花費超240億美元，仍未完工。

（ITER 組裝現場）

中國可控核聚變的研究與世界幾乎同步。

上世紀50年代，中國開啟聚變研究。1980年代，中國建造了第一個托卡馬克裝置。40年后的今天，中國已有三座成功運行的國產托卡馬克裝置。其中，中國自主設計的東方超環EAST，是世界首個全超導托卡馬克裝置，坐落于安徽合肥中國科學院合肥物理科學研究所。

近些年，EAST接連不斷的技術突破，備受國際關注：

• 2018年，EAST實現1億攝氏度等離子體運行等重大突破，獲得的實驗參數，接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件；

• 2021年5月，EAST實現了1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒的等離子體運行；
• 2021年12月，EAST實現1056秒的長脈沖高參數等離子體運行，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運行的最長時間。

技術每向前一步，都讓科學家對可控核聚變的未來更加樂觀。

今年1月，一個由超百名科學家組成的團隊在《自然》雜志上發表了4項實驗成果。據報道，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置獲得了“燃燒等離子體”，這意味著核聚變燃燒可以由反應本身產生的熱量來維持，而不是靠輸入的激光能量。研究人員稱，實驗產生了高達0.17兆焦耳的能量，但仍小于啟動核聚變過程所需的1.9兆焦耳的能量。他們下一步的目標是實現“點火”，即核聚變反應產生的能量大于其消耗的能量。

“整個氛圍都變了，我們感覺離目標越來越近了。”德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所的核聚變專家Thomas Klinger在接受《自然》采訪時感慨。

3.核聚變的“SpaceX時刻”何時到來？

積極情緒也開始從實驗室傳導至投資機構和創業公司。

可以看到的是，在過去一年，世界范圍內關于可控核聚變的投資案件創下新高，在國內，星環聚能與能量奇點兩家國內可控核聚變創業公司均在2021年下半年成立。

據Fusion Industry Association （FIA） 統計，2022年，可控核聚變私營企業數量達到33家，其中有6家公司的融資額超過了2億美元。

圖片來源：FIA統計過去30年成立的可控核聚變創業公司

但Q值仍是掛在托卡馬克上的一道枷鎖。世界上仍未有一座托卡馬克實現Q值大于1，這意味著現有的托卡馬克并不具有經濟性，更不用說實現商業化。

對此，星環聚能技術負責人譚熠曾對投中網表示，商用可控核聚變確實需要“較長的建設周期”和“較大規模的投入”才能實現商業化落地，并未明確表示具體期限。

但一個關鍵問題是，在可控核聚變領域，多年來都是以國家隊為主力進行技術突破。要知道，除了極高的技術門檻，大科學裝置的運行非常昂貴。BBC曾報道，光是開啟機器，每天就要花費15萬美元。

此時創業公司入場，是否為時過早？

可以拿核聚變與航天做對比。米磊曾說，看到星環聚能時，直覺就像2016年看到自動駕駛或商業航天。

兩者有相似之處：二者前期發展均集中在政府機構層面開展，在技術達到一定成熟度后，商業資本注入將為產業帶去更多活力。加拿大核聚變公司GF的首席執行官Mowry甚至認為，“聚變行業的SpaceX時刻”已經到來。

但兩者也有明顯區別。在樂金鑫看來，商業航天和商用可控核聚變的商業能力明顯不在一個級別。

商業航天的發展是站在巨人肩上看世界。當國家科研體系已經相對完善時，民企開始走上舞臺。在這一背景下，商業航天在2016年迎來“元年”，成為國家航天業發展的有效補充力量。而可控核聚變的不同在于，世界各國至今均未形成一套成熟的落地方案，各自都正在迷霧中摸索前行。

不過，在一些投資人看來，SpaceX或許蹚出了一條可供參考的路。“SpaceX的出現給大家提供了一個很好的樣本，在一些前沿科技領域，社會力量早些加入能夠對整個行業的技術進展起到正向激勵作用。”樂金鑫告訴「甲子光年」。

但可控核聚變技術仍有諸多工程性問題有待解決，創業公司的機會在哪里？

目前，業內對可控核聚變商業化的共同目標幾乎達成共識：建立以可控核聚變為能源的商業發電站。

國家隊與創業公司承擔著不同的角色：國家隊“直奔終點”，直接研究大型托卡馬克裝置，最終建造可控核聚變商用發電站；創業公司更像“摸著石頭過河”，主攻小型托卡馬克，開辟新的商業模式，讓公司持續存活下去。

自托卡馬克出現以來，大型裝置一直占據主流。如果要在1997年問一位科學家如何保證托卡馬克成功運行，得到的答案可能是：規模必須要大。但相比ITER之類的龐然大物，小型托卡馬克裝置的建設速度和迭代效率更優，更加適合創業公司的節奏。

星環聚能技術負責人譚熠曾介紹，“科研院所承擔了大量科研任務，聚變實驗裝置各種功能都得具備，系統較為復雜；商業公司以性能指標為主導，裝置及輔助系統相對簡單一些。”

在商業模式上，“可控核聚變創業公司將成為發電站或電網的技術與設備提供商，參與到可控核聚變未來商業發電的生態中。”藍馳創投投資總監孫登科告訴「甲子光年」。

此外，青域基金對「甲子光年」表示，商用可控核聚變裝置的建設也會對超導材料形成批量需求，使超導材料成本進一步下降，長此以往，可控核聚變公司可與超導材料公司互為因果，相互促進，將會衍生出更多具有商業價值的落地場景。

成立于2019年的一家可控核聚變公司Crossfield Fusion也表示，公司的目標是生產出小型集裝箱大小、可以在工廠批量生產的小型核聚變反應堆，預計其聚變反應堆技術在更大的聚變反應堆的應用中起到補充作用。在這個目標實現之前，該技術能夠作為用于放射治療、醫用同位素生產和材料測試的高輸出緊湊聚變中子源。

這便不難理解，為何投資人們紛紛在可控核聚變看似“遙遙無期”的當下，大膽押注。

可控核聚變技術仍有諸多工程性問題有待解決。幾乎每個參與者在接受采訪時都會強調，雖然托卡馬克路線技術穩妥，距離真正商業化仍有諸多課題需要攻克——更好的技術、更多的錢，以及更長的建設周期。

但這并不妨礙建設者相信，它可能帶給人類的光明未來。就如曾于1983年任麻省理工學院等離子核聚變中心副主任的勞倫斯·利茨基 （Lawrence Lidsky） 在《核聚變的困難》一文中寫道的那樣：

“核聚變是一個教科書式范例，對科學家和工程師來說都是一個好問題。許多人認為這是有史以來最難解決的科學和技術問題，但它仍然屈服于我們的努力。”