界面新聞記者 | 戴晶晶
2024年的人類依舊沒有實現(xiàn)可控核聚變，但中國商業(yè)核聚變公司開始走到臺前。
自2021年起，美國聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司(CFS)打造緊湊型聚變發(fā)電裝置、美國國家點火裝置(NIF)激光核聚變點火“成功”等消息，推動聚變產(chǎn)業(yè)持續(xù)成為能源領(lǐng)域的焦點，行業(yè)融資規(guī)模不斷增加。
在人工智能(AI)熱潮下，2024年數(shù)據(jù)中心耗電問題日益凸顯，微軟、OpenAI等科技巨頭押注可控核聚變作為解決方案，進(jìn)一步引發(fā)社會對該領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。
與此同時，AI技術(shù)的進(jìn)步助力核聚變等離子體精準(zhǔn)控制取得突破，高溫超導(dǎo)材料規(guī)模化應(yīng)用也為托卡馬克裝置小型化提供支持，助推核聚變商業(yè)化進(jìn)程。
在全球涌現(xiàn)的商業(yè)核聚變初創(chuàng)公司中，中國初創(chuàng)公司在今年集中迎來了階段性突破，在政策、資本的加持下，正式加入全球商業(yè)核聚變競賽，技術(shù)路線更加多元、行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善。
商業(yè)核聚變曙光乍現(xiàn)
核聚變是輕原子核結(jié)合成較重原子核并放出巨大能量的過程。由于聚變原材料資源相對豐富，且無污染排放，因此可控核聚變被一直認(rèn)為是人類解決能源問題的重要出路，視為“終極能源”。
當(dāng)前可控核聚變技術(shù)路線主要有三種：重力場約束核聚變、激光慣性約束核聚變和磁約束核聚變。其中，磁約束核聚變研究裝置包括托卡馬克、仿星器、反向場箍縮、場反位形(FRC)及磁鏡等。
由于實現(xiàn)條件極度困難，核聚變領(lǐng)域有著著名的“50年悖論”，即距離實現(xiàn)可控核聚變永遠(yuǎn)只有50年。作為全球最大的科研合作項目，國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)就進(jìn)展不順，啟動時間不斷推遲，成本也從50億歐元飆升至200億歐元。
緊湊型托卡馬克設(shè)計的出現(xiàn)，是一個重要的轉(zhuǎn)機(jī)。它能顯著降低成本和建造周期，進(jìn)而允許私營企業(yè)建造商業(yè)化核聚變裝置。
上文所述的CFS成立于2018年，技術(shù)源自美國麻省理工學(xué)院(MIT)，于2021年9月率先宣布成功研制出全球首個基于高溫超導(dǎo)材料的聚變裝置磁體，是該條技術(shù)路線最為前沿的企業(yè)。
高溫超導(dǎo)是指特定材料在臨界溫度在液氮溫度77K(-196℃)以上，出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物理現(xiàn)象，即電流可以在材料中零電阻通過，且具有完全抗磁性。相比傳統(tǒng)低溫超導(dǎo)，高溫超導(dǎo)能夠極大降低制冷成本，并縮小托卡馬克裝置的體積。
近年來AI技術(shù)進(jìn)步也幫助提高了聚變過程中對等離子的控制能力。
今年，美國普林斯頓大學(xué)團(tuán)隊的研究成果登上《Nature》，稱他們開發(fā)了一套AI模型，實現(xiàn)了可控核聚變裝置托卡馬克中等離子體的實時預(yù)測，能提前300毫秒預(yù)測核聚變中的等離子不穩(wěn)定態(tài)，并避免等離子體撕裂的問題。
在多種因素的推動下，聚變行業(yè)對圓夢“終極能源”的態(tài)度變得積極，已有初創(chuàng)公司預(yù)計實現(xiàn)聚變發(fā)電的時間節(jié)點不足10年。
當(dāng)?shù)貢r間7月17日，聚變行業(yè)協(xié)會(FIA)發(fā)布《2024年全球聚變行業(yè)報告》，全球共有45家核聚變商業(yè)企業(yè)參與調(diào)研，累計融資規(guī)模達(dá)到71億美元，較2023年增加9億美元，增幅近15%。
調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，在35家受訪回復(fù)的企業(yè)中，有3家認(rèn)為2030年之前，該公司就可以實現(xiàn)把電力輸送到電網(wǎng)；22家認(rèn)為，這將在2030-2035年之間實現(xiàn)。
在這些企業(yè)中，有8家企業(yè)采用仿星器技術(shù)路線、7家采用激光慣性約束。此外，采用托卡馬克、球形托卡馬克、FRC技術(shù)路線的商業(yè)公司均為3家。
當(dāng)?shù)貢r間12月17日，美國CFS公司宣布，計劃在弗吉尼亞州建造世界上第一個電網(wǎng)規(guī)模的聚變發(fā)電廠，預(yù)計2030年代初投入發(fā)電。
中國商業(yè)公司崛起
“六七年后，造出可輸出電能的示范‘人造太陽’，”今年2月，陜西星環(huán)聚能科技有限公司(下稱星環(huán)聚能)創(chuàng)始人兼CEO陳銳在接受界面新聞專訪時表明了近期的商業(yè)目標(biāo)。
星環(huán)聚能成立于2021年10月，是中國具有代表性的核聚變商業(yè)公司之一。
可控核聚變商業(yè)化通常需要建造實驗堆、工程堆和商業(yè)堆。陳銳表示，在成功建設(shè)商業(yè)示范堆后，將進(jìn)入真正的商業(yè)化階段，將聚變技術(shù)應(yīng)用于實際電力生產(chǎn)。
托克馬克被譽為“人造太陽”，其裝置的中央是一個環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈，像一個甜甜圈，在通電時內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度。
目前，中國主要的商業(yè)核聚變公司還包括能量奇點能源科技(上海)有限公司(下稱能量奇點)、聚變新能(安徽)有限公司(下稱聚變新能)、 瀚海聚能(成都)科技有限公司(下稱瀚海聚能)和新奧集團(tuán)等，正通過裝置建設(shè)突破和融資信息不斷進(jìn)入大眾視野。
今年6月，能量奇點宣布，由該公司設(shè)計、研發(fā)和建造的洪荒70裝置成功實現(xiàn)等離子體放電。這是全球首臺全高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置，也是全球首臺由商業(yè)公司研發(fā)建設(shè)的超導(dǎo)托卡馬克裝置。
能量奇點計劃在2027年完成下一代強(qiáng)磁場高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置——洪荒170的建設(shè)，該裝置以實現(xiàn)Q＞10為目標(biāo)。
聚變?nèi)胤e(等離子體溫度、密度和能量約束時間的乘積)是衡量聚變效果的參數(shù)，學(xué)術(shù)界認(rèn)為該數(shù)值達(dá)到10的22次方時，聚變反應(yīng)輸出的功率才能大于等于為驅(qū)動這一反應(yīng)而輸入的功率，達(dá)到點火條件(Q>1)，Q>10則是商用條件。
中國的商業(yè)公司也開始押注托卡馬克以外的技術(shù)路線。
瀚海聚能選擇的技術(shù)路線就是磁約束中的場反位形(FRC)的直線型裝置。FRC是沒有環(huán)形場線圈的較簡單的磁約束系統(tǒng)，內(nèi)部等離子體產(chǎn)生的反向電流會形成與外部磁場反向的磁場，使得等離子整體形成一個封閉的磁場結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對等離子體的約束。
今年8月，瀚海聚能的相關(guān)負(fù)責(zé)人曾向界面新聞透露，該公司已在為裝置工程化做準(zhǔn)備，今年下半年第一代實驗裝置將開建，并于2025年建成。
“第二代裝置預(yù)計從2026年開始規(guī)劃建造，目標(biāo)是能夠凈發(fā)電?！痹撠?fù)責(zé)人說，到2028-2030年，公司不斷迭代的裝置將實現(xiàn)10-50兆瓦的發(fā)電能力。
2024年3月，合肥星能玄光科技有限責(zé)任公司(下稱星能玄光)成立，技術(shù)來源于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核學(xué)院。該公司稱，將專注于研發(fā)直線型場反磁鏡可控核聚變技術(shù)。
資本涌入助推產(chǎn)業(yè)化
國內(nèi)商業(yè)核聚變公司進(jìn)展不斷的背后，是政策和資本的強(qiáng)力支持。
早在1983年，中國就提出了“熱堆-快堆-聚變堆”三步走的核能發(fā)展總戰(zhàn)略。2023年，中國國務(wù)院國資委啟動實施未來產(chǎn)業(yè)啟航行動，明確可控核聚變領(lǐng)域為未來能源的重要方向，由25家央企、科研院所、高校等組成的可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體也在年末成立，為國內(nèi)核聚變產(chǎn)業(yè)添上一把火。
今年3月，國家發(fā)改委提請十四屆全國人大二次會議審查《2024年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展計劃草案》，提到要開展“人工智能+”行動，加快氫能等未來能源產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，持續(xù)推進(jìn)核聚變等前沿技術(shù)研究開發(fā)。
以上海為首的地方政府也已出臺核聚變產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。
今年3月，上海市經(jīng)信委、市發(fā)改委等部門聯(lián)合印發(fā)《上海核電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動方案（2024-2027年）》，提出要“開展磁-慣性約束聚變能源系統(tǒng)的實驗物理、核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備等研發(fā)，建成國際先進(jìn)的聚變能源中心。
在政策引領(lǐng)下，今年11月20日，上海未來聚變能源科技有限公司正式成立，注冊資本10.26億元。該公司經(jīng)營范圍包括：新興能源技術(shù)研發(fā)、企業(yè)管理咨詢、企業(yè)管理、投資管理。
天眼查APP顯示，該公司股東包括上海國投科創(chuàng)投資有限公司、上海電氣控股集團(tuán)有限公司、上海申能誠毅股權(quán)投資有限公司，持股比例分別為49.3177%、31.1891%、19.4932%。這三家股東均由上海市國資委直接或間接100%控股。
今年，國內(nèi)資本繼續(xù)強(qiáng)勢注入核聚變行業(yè)，融資消息不斷。
其中較為突出的，是聚變新能(安徽)有限公司(下稱聚變新能)在今年的注冊資本由50億元增至145億元，調(diào)整后股東涉及大型國有集團(tuán)、私人資本、地方政府、科研機(jī)構(gòu)等幾乎所有類型的出資人，包括中國石油集團(tuán)昆侖資本有限公司和蔚來控股有限公司。
2023年5月，聚變新能已完成15億元的天使輪融資，投資方包括皖能電力(000543.SZ)、蔚來汽車和合肥產(chǎn)投集團(tuán)等；今年5月，該公司又獲得了來自安徽國控集團(tuán)、皖能電力、中石油昆侖資本和中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院的A輪融資，融資金額未披露。
今年3月，星環(huán)聚能也宣布，完成數(shù)億人民幣的Pre-A輪融資， 由上海知識產(chǎn)權(quán)基金領(lǐng)投，華成創(chuàng)投跟投，老股東中科創(chuàng)星、和玉資本跟投。資金將主要用于星環(huán)聚能新一代聚變驗證裝置的設(shè)計、研發(fā)和建造。
可控核聚變商業(yè)化離不開上下游產(chǎn)業(yè)鏈的建立，重點環(huán)節(jié)已成投資熱點。
銀河證券研報稱，核聚變產(chǎn)業(yè)鏈主要由上游材料，中游超導(dǎo)磁體、第一壁相關(guān)結(jié)構(gòu)、真空模塊及下游的電站運營等組成。
上海翌曦科技發(fā)展有限公司(下稱翌曦科技)創(chuàng)始人兼董事長、上海市高溫超導(dǎo)材料與系統(tǒng)工程技術(shù)中心主任金之儉對界面新聞指出，高溫超導(dǎo)強(qiáng)場磁體是緊湊型托卡馬克最核心的部件，技術(shù)門檻和商業(yè)價值都非常高，在托卡馬克系統(tǒng)成本中占到40%-50%。
今年10月，翌曦科技宣布完成近億元天使輪融資，由上海道禾、華控基金聯(lián)合領(lǐng)投，錫創(chuàng)投、成都空港共同參與投資。