追逐清洁能源“圣杯”，学界、业界温差几何

　　之昂

　　最敏感的资本指路

　　近两年，与半导体时代相伴相生的风险投资机构，争相押注可控核聚变相关企业。根据核聚变行业协会的报告，截至2023 年中，全球核聚变行业融资规模增至62 亿美元，其中仅2.7 亿美元来自政府等公共资金，来自私人、投资基金的资金占据主流。

　　各方大佬看好的可控核聚变究竟是什么？核聚变与常说的核裂变完全相反，它是两个轻原子核结合成一个较重的原子核，本质上是模拟包括太阳在内的所有宇宙恒星以核聚变原理发光发热、释放出巨大能量的过程。加上现有的人造、可控的核聚变实验装置大多为球形，因此可控核聚变反应设施又被称为“人造太阳”。

　　国际原子能机构在一篇文章中曾提到，核聚变每千克燃料产生的能量是核裂变的4 倍，比燃烧石油和煤炭产生的能量高出近400 万倍。这在电力需求日益增长的现在，无疑更具吸引力，“如果成功将会是能源领域最重要的一次革命”。

　　但是，由于其苛刻的反应条件，可控核聚变技术一直是学界可望而不可及的清洁能源未来“圣杯”；对于产业界，这更是周期长、投入高、不确定性大的赛道。那么为什么头部风投会选择在这个时刻集中参与？事实上，这个决定并不仅仅是因为其想象空间巨大，而是因为高温超导材料的颠覆性进步，已经让可控核聚变技术有了关键突破。

　　不好控制的核聚变

　　在讲“关键突破”前，我们还要再把可控核聚变的工作过程说清楚一点。可控核聚变的物理原理已经很明确，现在的重点在于可控，那为什么核聚变不好控制？

　　要知道太阳之所以能够不断聚变发热，重要原因在于其巨大的引力所产生的极端压力：太阳中心的压力可以达到3300 亿个地球大气压，光是太阳表面的温度就能达到6000 摄氏度。

　　在高温和高压这两大条件的作用下，太阳上的所有原子的物质状态都变成了等离子体——这是一种由正离子和自由移动的电子组成的高温带电气体，它们不再受原子核的束缚而随意飘散，同时具有不同于固体、液体和气体的独特性质，整个太阳因此也变成了一个温度很高的大气团。

　　在地球上，我们用于核聚变反应的是氢的两种同位素，即氘（重氢）与氚（超重氢），分别比氢多一个中子和两个中子。想在地球上完全模拟太阳环境可谓难上加难，所以为了实现核聚变，原子核必须在超过1000 万摄氏度的极高温度下相互碰撞，才能够克服相互间的电排斥力，并进入彼此非常接近的范围。一旦进入这个范围，它们之间的核力吸引力才能超过电排斥力，从而使它们实现聚变。

　　理论上，只要有几克氘与氚的反应物，就有可能产生一太（万亿）焦耳的能量——这已经是欧美等发达国家一个人60 年内所需要的全部能量。可想而知，这么大能量的粒子光是在反应装置里相互碰撞所产生的热度，就足以融化地球上现有的任何一种材料。

　　想让等离子体产生聚变反应，必须将其约束在高温、高压条件下，因此可控核聚变有了两条实现路径，一条是惯性约束路线，通过压缩聚变燃料至极高密度来实现；另一条则是磁约束路线，即将燃料加热至上亿摄氏度高温，形成等离子体气体，从而发生聚变反应，这也是现在的主流选择。

　　但这两条技术路线都要解决一个共同的问题，那就是众多原子核必须被约束在一个小空间内。因此，如何为聚变反应打造一个容器成为最关键的工程挑战。

　　高温超导的颠覆作用

　　在磁约束路线中，目前最成熟的、可以用来实现可控核聚变的容器是发明于上世纪50 年代的“托卡马克”（Tokamak）。名字虽然有点怪，但其形状可爱类似于甜甜圈，原理是用磁场将带电的等离子体全部约束在环形真空室的中心，使其始终与反应堆壁隔开，从而确保容器不被熔化。最后，容器里循环的冷却水系统将带走聚变反应产生的热量，并用于发电。

　　托卡马克长期使用的是电阻为零的低温超导材料来产生强磁场，这样电流通过超导线圈不接触、不发热，也就无须因为传统线圈过热而间歇运行。从聚变性能来说，托卡马克是其他方式的2 到4 个数量级；但从经济性角度看，由于其系统非常庞大复杂，低温超导电流密度又比较低，需要大型装置才能进行测试，资金投入巨大，一般的商业机构难以承受。

　　以国际热核聚变实验堆为例，它是世界上最大的核聚变实验装置，用的是由低温超导材料打造的托卡马克。这个托卡马克近30 米高，重达2.3 万吨，虽然因为各种原因一直没运行过，但投入已经超过200亿美元。

　　直到高温超导材料出现突破性进展，产业界才看到了商用化的曙光。电流密度高、比同体积低温超导磁场更强的高温超导材料“钇钡铜氧”体系，已经能让建造和运行成本实现大幅降低。

　　2021 年9 月， 美国核聚变商业公司CFS 和MIT 宣布成功研制出全球首个基于高温超导材料的聚变装置磁体并通过测试，磁场强度达20 特斯拉，最重要的是，投资规模已经降到数十亿美元，每一代装置的生产建设周期只需要两三年，风投机构因此涌入核聚变行业抢位。

　　不过学术界还没这么乐观，毕竟反应堆壁能经受极端环境考验只是技术挑战的第一关，可控核聚变发电还要保证核聚变产生的能量能高效转化为电力输出，且有净增益，即输出能量大于输入能量；第三关就是让这个核聚变过程可持续发电。此外还有一些更具体的技术难点，比如怎么在燃料消耗后及时补充等等。

　　市场资金的加入，或许让上下游的革新效率更快，但不能改变现在可控核聚变还离商业化较远的现实。

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