去年五月，當(dāng)蔚來汽車交付量再創(chuàng)年內(nèi)新低、飽受掉隊(duì)質(zhì)疑，且負(fù)債率高達(dá)70%時(shí)，其創(chuàng)始人兼CEO李斌卻不慌不忙地做出了一個(gè)“不務(wù)正業(yè)”的決定——成立了一家核聚變公司“聚變新能”，總投資9.95億元。

近兩年，與半導(dǎo)體時(shí)代相伴相生的海外風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)，也在爭(zhēng)相押注可控核聚變相關(guān)企業(yè)。根據(jù)核聚變行業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告，截至2023年中，全球核聚變行業(yè)融資規(guī)模增至62億美元，其中僅2.7億美元來自政府等公共資金，來自私人、投資基金的資金占據(jù)主流。硅谷“創(chuàng)投教父”Peter Thiel、亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝索斯、老虎環(huán)球基金，甚至包括Open AI創(chuàng)始人之一的奧爾特曼，都在用真金白銀證明著對(duì)可控核聚變的信心。

國內(nèi)，能量奇點(diǎn)、星環(huán)聚能等成立2021左右的企業(yè)，同樣走上了融資快車道，其中陜西星環(huán)聚能已經(jīng)在近兩年拿到了超過6億元風(fēng)險(xiǎn)投資。

投資人和海外諸多核聚變企業(yè)都給出了樂觀預(yù)計(jì)：世界上首座聚變電廠會(huì)在2035年之前成功發(fā)電，走上商用之路。   

各方大佬看好的可控核聚變究竟是什么？作為對(duì)比，我們可以看看現(xiàn)在的核電站，現(xiàn)在的核電站大多采用的是核裂變技術(shù)，在較重原子核分裂為較輕原子核過程中獲得能量；而核聚變則完全相反，它是兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核，本質(zhì)上是模擬包括太陽在內(nèi)的所有宇宙恒星以核聚變?cè)戆l(fā)光發(fā)熱、釋放出巨大能量的過程。加上現(xiàn)有的人造、可控的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置大多為球形，因此可控核聚變反應(yīng)設(shè)施又被稱為“人造太陽”。太陽表面及內(nèi)核無時(shí)無刻都在產(chǎn)生核聚變  

國際原子能機(jī)構(gòu)在一篇文章中曾提到，核聚變每千克燃料產(chǎn)生的能量是核裂變的4倍，比燃燒石油和煤炭產(chǎn)生的能量高出近400萬倍。這在電力需求日益增長(zhǎng)的現(xiàn)在，無疑更具吸引力，“如果成功將會(huì)是能源領(lǐng)域最重要的一次革命”。

但是，由于其苛刻的反應(yīng)條件，可控核聚變技術(shù)一直是學(xué)界可望而不可及的清潔能源未來“圣杯”；對(duì)于產(chǎn)業(yè)界，這更是周期長(zhǎng)、投入高、不確定性大的賽道。那么為什么頭部風(fēng)投會(huì)選擇在這個(gè)時(shí)刻集中參與？事實(shí)上，這個(gè)決定并不僅僅是因?yàn)槠湎胂罂臻g巨大，而是因?yàn)?/span>高溫超導(dǎo)材料的顛覆性進(jìn)步，已經(jīng)讓可控核聚變技術(shù)有了關(guān)鍵突破。   

文藝作品中曾多次想象過可控核聚變技術(shù)成熟后的場(chǎng)景，《流量地球》中推進(jìn)地球航行的發(fā)動(dòng)機(jī)、鋼鐵俠維持生命以及各型號(hào)盔甲運(yùn)轉(zhuǎn)的能量來源“方舟反應(yīng)爐”等靈感均源于此。但回到現(xiàn)實(shí)，學(xué)者早在長(zhǎng)期的研究中意識(shí)到，核聚變雖然能爆發(fā)出的巨大能量卻難以為人類隨取隨用，這也是為什么核聚變現(xiàn)在在地球上唯一的應(yīng)用是氫彈——這種不可控的核聚變。

在講“關(guān)鍵突破”前，我們還要再把可控核聚變的工作過程說清楚一點(diǎn)。可控核聚變的物理原理已經(jīng)很明確，現(xiàn)在的重點(diǎn)在于可控，那為什么核聚變不好控制？

要知道太陽之所以能夠不斷聚變發(fā)熱，重要原因在于其巨大的引力所產(chǎn)生的極端壓力：太陽中心的壓力可以達(dá)到3300億個(gè)地球大氣壓，光是太陽表面的溫度就能達(dá)到6000攝氏度。

在高溫和高壓這兩大條件的作用下，太陽上的所有原子的物質(zhì)狀態(tài)都變成了等離子體——這是一種由正離子和自由移動(dòng)的電子組成的高溫帶電氣體，它們不再受原子核的束縛而隨意飄散，同時(shí)具有不同于固體、液體和氣體的獨(dú)特性質(zhì)。整個(gè)太陽其實(shí)可以理解為一個(gè)溫度很高的大氣團(tuán)，在太陽內(nèi)核中還充斥著游離的質(zhì)子和電子，因此核聚變才會(huì)無時(shí)無刻發(fā)生。

在地球上，我們用于核聚變反應(yīng)的是氫的兩種同位素，即氘（重氫）與氚（超重氫），分別比氫多一個(gè)中子和兩個(gè)中子。想在地球上完全模擬太陽環(huán)境可謂是難上加難，所以為了實(shí)現(xiàn)核聚變，原子核必須在超過1000萬攝氏度的極高溫度下相互碰撞，才能夠克服相互間的電排斥力，并進(jìn)入彼此非常接近的范圍。一旦進(jìn)入這個(gè)范圍，它們之間的核力吸引力才能超過電排斥力，從而使它們實(shí)現(xiàn)聚變。   

地球上核聚變反應(yīng)示意圖

理論上，只要有幾克氘與氚的反應(yīng)物，就有可能產(chǎn)生一太（萬億）焦耳的能量——這已經(jīng)是歐美等發(fā)達(dá)國家一個(gè)人60年內(nèi)所需要的全部能量?？上攵@么大能量的粒子光是在反應(yīng)裝置里相互碰撞所產(chǎn)生的熱度，就足以融化地球上現(xiàn)有的任何一種材料。

想讓等離子體產(chǎn)生聚變反應(yīng)，必須將其約束在高溫、高壓條件下，因此可控核聚變有了兩條實(shí)現(xiàn)路徑，一條是慣性約束路線，通過壓縮聚變?nèi)剂现翗O高密度來實(shí)現(xiàn)；另一條則是磁約束路線，即將燃料加熱至上億攝氏度高溫，形成等離子體氣體，從而發(fā)生聚變反應(yīng)，這也是現(xiàn)在的主流選擇。

但這兩個(gè)技術(shù)路線都要解決一個(gè)共同的問題，那就是眾多原子核必須被約束在一個(gè)小空間內(nèi)。因此，如何為聚變反應(yīng)打造一個(gè)容器成為最關(guān)鍵的工程挑戰(zhàn)。

在磁約束路線中，目前最成熟的、可以用來實(shí)現(xiàn)可控核聚變的容器是發(fā)明于上世紀(jì)50年代的“托卡馬克”（Tokamak）。名字雖然有點(diǎn)怪，但其形狀可愛類似于甜甜圈，原理是用磁場(chǎng)將帶電的等離子體全部約束在環(huán)形真空室的中心，使其始終與反應(yīng)堆壁隔開，從而確保容器不被融化。最后，容器里循環(huán)的冷卻水系統(tǒng)將帶走聚變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，并用于發(fā)電。   

托克馬克內(nèi)部

托克馬克長(zhǎng)期使用的是電阻為零的低溫超導(dǎo)材料來產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，這樣電流通過超導(dǎo)線圈不接觸、不發(fā)熱，也就無需因?yàn)閭鹘y(tǒng)線圈過熱而間歇運(yùn)行。從聚變性能來說，托克馬克是其他方式的2到4個(gè)數(shù)量級(jí)；但從經(jīng)濟(jì)性角度看，由于其系統(tǒng)非常龐大復(fù)雜，低溫超導(dǎo)電流密度又比較低，需要大型裝置才能進(jìn)行測(cè)試，資金投入巨大，一般的商業(yè)機(jī)構(gòu)難以承受。

以國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆為例，它是世界上最大的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，用的是由低溫超導(dǎo)材料打造的托卡馬克。這個(gè)托克馬克近30米高，重達(dá)2.3萬噸，雖然因?yàn)楦鞣N原因一直沒運(yùn)行過，但投入已經(jīng)超過200億美元。   

高溫超導(dǎo)材料“釔鋇銅氧”的出現(xiàn)讓核聚變?cè)O(shè)施得以變“小”    

直到高溫超導(dǎo)材料出現(xiàn)突破性進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)界才看到了商用化的曙光。電流密度高、比同體積低溫超導(dǎo)磁場(chǎng)更強(qiáng)的高溫超導(dǎo)材料“釔鋇銅氧”體系，已經(jīng)能讓建造和運(yùn)行成本實(shí)現(xiàn)大幅降低。

2021年9月，美國核聚變商業(yè)公司CFS和MIT宣布成功研制出全球首個(gè)基于高溫超導(dǎo)材料的聚變裝置磁體并通過測(cè)試，磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)20特斯拉，最重要的是，投資規(guī)模已經(jīng)降到數(shù)十億，每一代裝置的生產(chǎn)建設(shè)周期只需要兩三年，風(fēng)投機(jī)構(gòu)因此涌入核聚變行業(yè)搶位。

不過學(xué)術(shù)界還沒這么樂觀，畢竟反應(yīng)堆壁能經(jīng)受極端環(huán)境考驗(yàn)只是技術(shù)挑戰(zhàn)的第一關(guān)，可控核聚變發(fā)電還要怎么保證核聚變產(chǎn)生的能量能高效轉(zhuǎn)化為電力輸出，且有凈增益，即輸出能量大于輸入能量；第三關(guān)就是讓這個(gè)核聚變過程可持續(xù)發(fā)電。此外還有一些更具體的技術(shù)難點(diǎn)，比如怎么在燃料消耗后及時(shí)補(bǔ)充等等。

市場(chǎng)資金的加入，或許讓上下游的革新效率更快，但不能改變現(xiàn)在可控核聚變還離商業(yè)化較遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)。