原理早已清楚，工程充满挑战。
文丨贺乾明
编辑丨黄俊杰
2022 年夏天，数亿元风险资金投向两家中国的核聚变创业公司，我们在科技专栏发文介绍了可控核聚变的技术进展、投融资情况。
两年后，一座核聚变实验装置在上海临港建成，完成初步技术验证。它看上去并不宏伟，主体部分只有 3 米高，周围插满各种管道，用于输送实验用的气体、冷却剂和电等 “原料”。
启动它之前，要花几周时间把空气从装置中抽走，在内部创造出真空环境。然后周围的设施再花几周向真空室外的区域注入液氮和液氦，把它们的温度降低到零下 240 度左右，再给位于其中的超导体注入电流，形成强力的螺旋磁场。维持这样的环境，每个月要花 30 万元电费。
能量奇点建造的核聚变实验装置洪荒 70。
它的主要功能是实验，看造出来的设施能否成功点亮等离子体——气体、液体和固体之外的第四种物质形态——这是实现核聚变的最基础条件。
工程师点击 “开始实验” 按钮后一瞬间，大量电子会沿着螺旋磁场轰击提前注入真空室中的氦气，把它们变成高速旋转的等离子体。同时，周围的装置向等离子体发射与其旋转频率相同的电磁波，把它加热到 500 万度。
整个测试过程只持续了几十毫秒——还没有人眨眼一次的时间长。但为了实现这一瞬间的测试，米哈游、蔚来资本、红杉中国等投资的能量奇点花了 2 年时间、投入近 2 亿元人民币建造了这个命名为洪荒 70 的实验装置。
能量奇点 CEO 杨钊说，这次测试验证了公司的技术路线可行，他们将投入数十亿元研发下一代装置——洪荒 170，在 2027 年建成，实现大于 10 倍的能量增益——即每输入 10 度电的能量，发电 100 度。目前还没有一个可控核聚变装置达到这个目标。
能量奇点的新动向，是诸多可控核聚变多创业公司的进展之一。中国另一家核聚变创业公司星环聚能，也在去年 7 月建成第一代实验装置，并成功运行，正研发下一代装置。
美国的核聚变创业公司更为激进，Helion 计划在 2028 年建成可以发电的核聚变装置，已经与微软签订供电协议；TAE Technologies 宣布要在 2030 年把核聚变商业化 ...... 至少有 4 家公司定下目标，要在 2030 年用核聚变发电。
可控核聚变原理早已清楚，难点是工程
早在造出核裂变原子弹的曼哈顿工程启动前，科学家们已经掌握了核聚变的原理：两个轻原子核（比如氘氚）结合在一起，会释放巨大能量。
第一次人造核聚变在 1952 年完成，第一颗氢弹在太平洋上的比基尼岛上空爆炸，威力相当于投向广岛的原子弹的 500 倍。
轻原子核都携带正电，天然相互排斥。想让两个原子核碰撞、结合，需要合适的条件。首先得把它们变成离子体（液体、固体、气体之外的物质形态），并加热到至少 1 亿摄氏度，这样才能克服斥力、让原子核结合在一起产生核聚变——太阳表面通过核聚变产生能量的区域，温度不过 1500 万摄氏度。
所有的氢弹都是直接引爆原子弹来实现核聚变。但要用核聚变来发电，显然得用更温和的方式加热等离子体。
现在已经有一些装置成功将等离子体加热到 1.5 亿摄氏度以上，但能坚持的时间不长，大多按秒计算。因为等离子体极度不稳定，就像不停翻腾的高温带电气体。反应堆需要将等离子体持续、稳定地压缩在一个有限的空间（Plasma Confinement），才可能让原子核频繁碰撞、持续释放能量。
一位研究了 20 年核聚变的专家说，等离子体 “研究起来就是个无底洞”，会发生许多复杂的物理现象，目前还没有模型可以精确预测等离子体如何运动，只能想办法通过外力压缩它。
持续研究最久、看着最有希望的是列夫·阿尔茨莫维奇等人在 1950 年代末发明的托卡马克（Tokamak）装置，以及美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室研发的惯性约束核聚变（ICF）装置，它们各自代表核聚变中磁性约束和惯性约束路线。
欧洲托卡马克装置 JET 的内部构造。托卡马克（Tokamak）是 “带有电磁线圈的环形真空室”，名字来自环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、 线圈（kotushka）这四个俄语单词的缩写。来源：JET
在托卡马克装置中，原子被送进甜甜圈一样的真空环形通道，微波加热为等离子体。通道的每个方向都被不同形状的磁性线圈包裹。这些线圈通电后形成磁场，将 1 亿摄氏度的等离子体压缩至一定密度、变成高速螺旋。
美国科学家提出的惯性约束核聚变（ICF）装置则是模拟原子弹引发氢弹爆炸的过程：用激光或粒子束等冲击密封在特定空间中的燃料，创造高温和高压环境，从而实现核聚变。
惯性约束核聚变装置部分内部构造。图片来自美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室。
目前人造核聚变持续最久的一次，来自欧洲多个国家联合投资的托卡马克装置 JET，去年底实现了 5.2 秒的核聚变，产生了 69.26 兆焦热量——19.24 度电。而且它消耗的能量，比它产生的能量多——还不具备商业可行性。完成这次试验后不久，JET 便被拆除，这座 1983 年建成的实验装置已经不是继续研究的理想载体。
美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室建造的惯性约束核聚变装置，在 2022 年、2023 年两次核聚变实验中，用更少的能量生产出了更多能量，但他们并没有把启动激光器消耗的能量算进去。而且这个装置产生的能量只有 3.15 兆焦。
如果高温能维持，等离子体按照设想保持高密度，核聚变就能可控地持续发生，一个与现有核电站功率相当、并且几乎没有任何放射性污染风险的超级核电站就诞生了。
政府机构沿着这个方向积极推进核聚变研究，但效率低下。最典型的例子就是超大型托卡马克装置 ITER（国际热核聚变实验反应堆）。整个装置高约 30 米，有十层楼那么高。
这个由苏联和美国政府在 1985 年发起的项目承载着对冷战两方合作的希望，也是核聚变研究至今最有野心的一笔投资。理论上托卡马克装置足够大，就更容易用磁力控制离子体，从而实现效率更高的核聚变。ITER 的目标是把等离子体加热到最高 3 亿摄氏度，维持 500 秒的核聚变实验，每小时用 5 万度电的能量，释放出 50 万度电的能量。届时，可控核聚变距离变成现实近在咫尺。
冷战结束后，俄罗斯财力有限、美国政府也在缩减核聚变研发开支。直到 2006 年中国、欧盟、日本、印度和韩国加入后，ITER 的建设方案才正式敲定。
多国合作可以分担成本，但效率也会显著降低。ITER 预计要到明年才能建成，然后再调试十年，到 2035 年正式运行。
ITER 项目波折几十年，让许多对核聚变抱有希望的人感到疲惫，“距离可控核聚变永远还有 30 年” 的调侃在此期间诞生。
像 SpaceX 一样，先把政府当年做过的事再做一遍
转机在 2021 年。商业公司的核聚变研究有了新进展，私营资本涌入。
当年 6 月，成立 8 年的核聚变创业公司 Helion 宣布把等离子体加热到 1 亿摄氏度，实现了原本只有政府项目才能做到的壮举。5 个月后，OpenAI 的 CEO 山姆·阿尔特曼、PayPal 联合创始人彼得·蒂尔等硅谷名流和风投机构向 Helion 注资 5 亿美元，创下核聚变领域融资纪录，与美国政府给核聚变研究的拨款相当。如果 Helion 能继续突破，他们允诺至少再投 17 亿美元。
同年 11 月底，从麻省理工学院独立出来 3 年的核聚变创业公司 Commonwealth Fusion Systems（CFS）宣布拿到超过 18 亿美元融资，超过之前所有核聚变创业公司融资之和，出钱的是比尔·盖茨、乔治·索罗斯、Google、DFJ、Emerson Collective 等 30 个富人、公司或机构。
投资者们认为 CFS 的突破前所未有。他们与麻省理工学院合作做出了世界上最强的高温超导磁体，可以产生强度超过 20 特斯拉（T）的磁场，强度是 ITER 磁场的 1.5~2 倍。
磁场更强，限制等离子体的能力就强，核聚变效果也会提升。他们的研究，让核聚变发展另一条路径彻底显现出来：建小型的托卡马克装置，也能更有效率地产生能量，不再需要像 ITER 那样，耗费大量材料和时间。这也是能量奇点选定的技术方向。
新的技术进展和两轮大额融资，点燃了核聚变创业热情。根据核聚变工业协会统计，截至 2023 年 6 月，全球 40 多家核聚变创业公司从投资人手中筹集了近 60 亿美元。
借助政府机构过去数十年的研究与新的技术进步和材料，创业公司建设小型的核聚变装置，只需要数亿美元就可以验证技术方向，装置的建设周期也可以缩短到 3～5 年。
“用托卡马克装置实现核聚变已经非常充分，我们不需要做太多的科学验证或研究，只需要聚焦解决工程问题。” 能量奇点 COO 叶雨明说。在这个过程中，成本成了关键。他告诉我们，开始设计第一代装置时，技术积累不多的能量奇点考虑过把部分设计外包给一个参与 ITER 项目的科研机构，但因为对方要价太高转向自己设计。“不管是铜导体还是高温超导，物理原理是一样的。” 设计方案确定之后，他们靠多个核电领域发展多年的供应商造出了第一代装置：
- 上海电气核电集团为能量奇点生产了洪荒 70 托卡马克主机系统的关键设备：真空室、杜瓦和冷屏。
- 上海超导为洪荒 70 提供了全部的高性能超导磁体材料。
- 中国核工业第五建设有限公司帮助能量奇点组装了洪荒 70。
2024 年 1 月，能量奇点组装洪荒 70 场景。
在能量奇点的规划中，建造洪荒 70 只是完成技术方向验证，“用相对短的时间、小的成本去验证技术路线的可行性，规避风险，再研发建造一台投入更大、性能更高的装置。”
大多数商业公司都是这么做的。不同的核聚变创业公司选择了 20 多种不同的方案建造核聚变装置，都依赖过去几十年的研究成果，一步步迭代。
比如 Helion 成立十多年已经把装置迭代到了第七代，2028 年给微软供电的核聚变是他们的第八代设施，目前还在设计中。
“（与微软的合作）是一项有约束力的协议，如果我们造不出来，就会受到经济处罚。”Helion 的 CEO 大卫·柯特利（David Kirtley ）说。同一年，Helion 还与 Nucor 达成协议，计划在 2030 年建造一座核聚变反应堆帮它炼钢。
用低成本方案建设此前政府巨额投资建设过的装置，然后再一次次升级迭代，是 SpaceX 在火箭、太空船上验证过的发展路径。差别在于，SpaceX 2002 年成立的时候，政府工程制造的火箭早已将人类送入太空、登上月球，建立了国际空间站。SpaceX 的大部分进展是以更低成本解决 NASA 解决过的问题，以刺激商业应用。而核聚变是大国政府努力半个多世纪也没能突破的难题，商业公司即便追上政府科研的进度，前方依然有难题。
被 AI 驱动，也为了驱动 AI
核聚变商业公司的一部分信心来自 AI 技术进步。
目前的实验已经可以将等离子体加热到 1 亿度，实现可控核聚变。关键在于把核聚变持续下去，让它产生的能量远远大于核聚变过程消耗的能量。
每次核聚变实验，科学家都需要事先凭原则和感觉准备好控制磁体的参数，每秒调整上千次电压，让磁场变化，尽可能避免高温的等离子体碰到真空室内壁，否则只有两种结果：等离子体温度下降，或者装置毁掉。不管怎样，核聚变都不会持续。
AI 可以从历史数据（包括模拟的数据）中学习如何更好地控制等离子体。它学习过程跟 DeepMind 的 AlphaGo 学下围棋类似，先设定好目标——精确控制等离子体，达成后有奖励，否则会有惩罚。在一次次实验中，AI 或许会找到长时间控制等离子体，让核聚变持续下去的办法。
2022 年 2 月，Google DeepMind 的一篇研究论文经过同行评审发布在《自然》杂志上 ，在瑞士等离子中心的托卡马克装置中，经过强化学习训练的 AI 一次可以控制 19 个磁性线圈，每秒释放上万次电压，控制等离子的水平远超经验老到的科学家们。
Google DeepMind 研发的 AI 算法控制等离子体的情况。
之后，用 AI 监测、控制等离子体的研究密集出现。普林斯顿大学今年 3 月发布论文，介绍了一种可以提前 300 毫秒预测等离子体是否会破裂的 AI 算法，辅助科学家实时调整参数，从而延长核聚变反应。
DeepMind 也在持续优化算法。他们去年 7 月发布的一篇论文中介绍了新方法，把训练控制等离子体 AI 算法的时间缩短到 1/3，控制精度提高了 65%。
一位中国核聚变公司创始人说，DeepMind 第一篇论文发布后，他们就着手复现它的人工智能模型，用到自己的项目里。它正在成为核聚变创业公司的标配。
随着大模型变得火热，AI 和核聚变，这两个一同诞生于 1950 年代的技术，也有了更深层的联系。
与传统的算法相比，运转大模型需要消耗更多能源。国际能源署（IEA）在今年初发布的报告中提到，使用一次 Google 搜索消耗的电力大概是 0.3 瓦时（Wh），而使用一次 ChatGPT 会达到 2.9 Wh。他们预计，如果不降低算法功耗，到 2026 年，运行大模型的数据中心消耗的电量可能翻倍增长，一年用电超过 1000 太瓦时（TWh）——大致相当于整个日本的水平。
在整个世界向电动化转型，又希望减少二氧化碳排放的时候，大模型推广让电力消耗增多，给全球电力系统带来了更大压力。亚马逊爱尔兰数据中心因为 GPU 耗电过多，已经在限制用户使用。
一些公司将目光放在了核能上。比如微软已经着手招聘核能专家，希望用小型的核反应堆给数据中心供电。今年 3 月，AWS 购买了一个建在核电站旁边的数据中心。
“未来的 AI 需要能源突破，AI 消耗的电力远远超出人们的预期。” 阿尔特曼今年初说，他认为核聚变才是最根本的解决办法，“它激励我们加大对核聚变的投资。” 他是核聚变公司 Helion 的董事会主席。
“当社会需要核聚变技术的时候，核聚变就能实现。”1950 年代，苏联的核物理科学家列夫·阿尔茨莫维奇（Lev Artsimovich）研究出托卡马克装置后这么说道。现在显然比以往更需要可控核聚变这样奇迹般的技术。
题图：能量奇点建设的核聚变实验装置在运行 18.7 毫秒时点亮等离子体；来源：能量奇点。
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