无论是《三体》中人类不会耗尽电力的飞行汽车或舰队的聚变引擎，《流浪地球》系列电影中出现的行星发动机，还是《钢铁侠》中 Tony Stark 的方舟反应堆，这些热门科幻概念背后都涉及共同的技术原理，即可控核聚变。
｜图片来自电影《流浪地球》
｜图片来自电影《钢铁侠》
核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。理论上，只要有几克反应物，就有可能产生万亿焦耳级别的能量。
自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素，即氘与氚的聚变。而氘在地球的海水中含量丰富，因此如果实现可控核聚变技术，人类将拥有取之不尽的清洁能源，这或许会从根本上改变当前人类社会的格局以及科技发展进程。
由于对技术以及资金的要求极高，过往的与核聚变相关的研发项目始终由国家主导进行。但在 2021 年，商业可控核聚变迎来了新的变化，国外核聚变创业公司先后获得融资。在美国，资金正在流入开发核聚变技术的初创企业。美国核聚变工业协会的预测，截至 2022 年，从事核聚变技术开发业务的初创企业等超过 30 家企业的融资总额至少达到 48 亿美元。在核聚变初创企业中，约有 6 成在美国。中国的顶尖技术人才与优秀创业者同样没有掉队。
2022 年 6 月，顺为探索计划项目——「星环聚能」宣布完成由顺为领投的数亿元天使轮融资。顺为曾于 2022 年初宣布启动 “顺为探索计划”，投资总规模 10 亿元人民币，致力于扶持上百家国内先进制造、前沿计算、双碳科技、生命科学等领域的前沿颠覆性创新项目，为业内顶尖科技人才实现科技报国的梦想提供助力与支持。
在下文中，顺为投资团队的 90 后博士投资人生冀明与我们一同分享可控核聚变的相关行业研究，
你将了解到：
· 可控核聚变是什么，与核裂变的区别？
· 在现实中有哪些应用？
· 当前可控核聚变有哪些技术路线？
· 国内外可控核聚变行业领军企业都在做什么？
· 从科幻走向现实，还有多远？
……
生冀明主要负责考察、研究和筛选前沿科技领域，尤其是技术尚在研发阶段但未来有巨大社会和商业价值的领域的投资机会，关注如可控核聚变、量子信息、脑机接口等方向，曾参与星环聚能项目的投资。
以下为全文分享：
一、核聚变的原理
1905 年，爱因斯坦提出了物理学中最知名的公式之一：质能方程 E=mc²。根据质能方程，质量 m 和能量 E 可以以光速 c 的平方为比例互相转化，而且由于光速 c 的数值很大（约每秒 30 万公里），因此质量到能量的转化具有极高的效率（可达汽油燃烧效率的 4 万倍，不过从质量到能量的完全转化要靠正反物质湮灭，那将是另一个比可控核聚变更接近科幻的故事，不在本文讨论范围）。
到了 1920 年代，英国物理学家 Francis Aston 发现 4 个氢原子融合为 1 个氦原子时总质量会发生亏损。根据质能方程，这意味着轻原子核融合为重原子核的过程中质量亏损的部分将转化为能量。而另一位英国物理学家 Arthur Eddington 则意识到这是恒星发光发热的能量来源：我们在地球上所沐浴到的阳光，正是来自太阳中氢聚变反应发出的能量。
二、与核裂变的比较
核裂变的理论基础同样是质能方程，是利用重原子核裂变为轻原子核时放出的能量。如图 1，以元素周期表中 56 号元素铁为分界线，比铁更轻的原子核发生聚变或者比铁更重的原子核发生裂变时都将发生质量亏损并放出能量。
图 1｜不同元素的平均结合能。从高结合能元素经聚变（反应前后从左至右，元素序数增加）或裂变（反应前后从右至左，元素序数减小）生成低结合能元素将放出能量，生成更稳定的产物。 56 号元素铁处于平均结合能最低点，最为稳定。
与裂变相比，由于聚变反应前后的质量亏损比例更大（对应图 1 中铁元素左侧曲线相比右侧更陡的斜率），因此单位质量聚变原料相比裂变原料在核反应中将释放更多的能量：（以氢同位素氘氚聚变对比铀裂变为例，前者释放能量约为后者的 6 倍）。
三、人类对于核聚变的应用
聚变反应无论在理论还是在现实层面中都展示了其蕴含巨大的能量。那么，人类是否能做到将聚变能为我所用呢？答案是肯定的。在介绍具体应用之前，让我们首先考察一下聚变反应发生所需要的条件。
由于原子核带有正电荷，因此要将两个原子核融合首先需要克服静电斥力使其足够靠近，这需要给原子核足够的动能，使两原子核 “对冲”，进而 “碰撞”（实际为原子核接近到反应截面范围，即核子间强力作用范围）并发生反应。为此要将原子核和核外电子形成的等离子体气体加热到极高温度，使其具有足够的热运动动能克服静电斥力— 这里的 “极高温度” 指 1 亿摄氏度以上，是太阳表面温度的 2 万倍。
在地球上如何实现 1 亿度的高温来满足聚变反应呢？最早的人工聚变反应出现在军事领域，即氢弹：氢弹中以一枚采用核裂变原理的原子弹为聚变反应点火，利用原子弹爆炸释放的能量加热氢的同位素以发生聚变反应，产生中子射流并触发后续更剧烈的链式裂变反应（现在大多数氢弹并不是 “纯净” 的聚变核武器，确切的说，它们应该叫 “三相弹”，裂变引发聚变，聚变释放出的中子诱发出更剧烈的裂变即所谓的 “裂变-聚变-裂变”）。一枚氢弹的典型当量是百万吨 TNT，为原子弹的 1000 倍。氢弹中的聚变反应在短时间内释放出巨大的能量，但无法持续稳定运行，产生的能量也无法收集，因此属于不可控聚变。
人类对核聚变应用的终极理想则是可控核聚变，即稳定可控地利用聚变释放出来的能量。可控核聚变也被称为能源行业的 “圣杯”，一旦实现，将有望为人类带来洁净、安全、且近乎无限的能量供给：聚变发电预计碳排放量是火力发电的不到 1/500，光伏的不到 1/20；聚变发电过程中无辐射泄露且不产生放射性核废料；聚变发电需要上亿度高温和稳定的等离子体约束，维持聚变反应的苛刻条件同时也意味着反应很容易中止，安全可控（通俗地说，修建核裂变电站更关注如何能使核反应安全中止，而未来修建核聚变电站更关注如何能使核反应顺利启动）；海水中的氘含量则足够人类使用上百亿年。
除了在地球上为人类提供能量，可控核聚变未来也可能在航天工业中得到应用，利用聚变产物反冲高效推动航天器。据估算，聚变动力飞船从地球飞到火星只需 90 天，是现在的一半不到，且有效载荷占火箭总重的比例可从 1% 跃升到 50% 。未来走向星辰大海的漫漫长路上，聚变也将会成为人类的绝佳助力。
四、可控核聚变行业现状和未来展望
人类对可控核聚变的研究从 1950 年代开始，至今已持续半个多世纪，但这座能源行业的圣杯还是没有被攻克。究其原因，核聚变的基本原理虽然简单，但其实现条件过于苛刻，因此在工程上带来了巨大挑战。
其最核心难点是稳定约束聚变反应发生时上亿度的高温等离子体：如此高的温度任何实体容器都无法承受，因此对等离子体的约束必须另寻他法。其他挑战还包括如何高效为等离子体输入初始能量以 “点火”，从而使得聚变反应能够净输出而非消耗能量，以及如何利用氘氚聚变反应中释放的中子与锂反应形成地球上稀有的氚元素，以达到聚变燃料氚的自给自足（” 氚自持”）等。
目前业界探索可控核聚变的主流路线有两条，分别由磁场和激光提供约束力。其中磁场约束路线中包含可控聚变行业最成熟、已有试验数据最丰富的托卡马克型装置。托卡马克音译自 токамáк，是俄文中 “有磁线圈的环形腔” 的首字母缩写，首个托卡马克装置于 1958 年在前苏联建成。该类型装置中由环向、垂直磁场线圈以及等离子体自身电流产生的磁场将等聚变离子体稳定约束成环型。大家在新闻中可能已有耳闻的国际热核聚变实验堆计划（International Thermonuclear Energy Reactor, ITER）即采用此技术路线，同技术路线装置还有中科院合肥等离子体所的东方超环、位于英国的欧洲联合环等。
图 2｜国际热核聚变实验堆计划（ITER）装置图
由托卡马克装置衍生而来的还有球形托卡马克，相比传统托卡马克减小了中心孔径，使得整个装置呈接近球形。相比传统托卡马克、球形托卡马克拥有更高的比压（一种对装置的磁场利用率的量度），约束同样的等离子体只需要更弱的磁场，或者同样的磁场下可约束更高的等离子体压强，对应更高的输出功率。除此以外，磁约束路线还有仿星器装置，场反位型装置，磁偶极装置等等，各自采用不同的磁场构型提供对等离子体的约束。
激光约束路线又称惯性约束路线。聚变燃料被四周汇聚的纳秒激光脉冲照射并压缩至极高密度，且由于惯性而短暂保持高密度状态同时发生聚变反应，之后聚变等离子体扩散并冷却。该技术路线为脉冲运行，两次聚变反应之间需要长时间散热，而且激光瞬时功率大、对于光学器件的寿命提出了挑战。因此，相比瞄准产能应用，该激光约束路线更多用于科研。
值得一提的是，2022 年 12 月美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的激光约束聚变装置全球首次实现了聚变等离子体的净能量增益：实验中，聚变反应共释放了 2.5MJ 能量，超过了由激光输入的 2.1MJ 能量。但是，由于驱动激光共消耗了 25MJ 电能，因此对整套聚变实验装置而言，输出的能量仍然只是输入能量的 10%，距离大于 100% 的终极目标还有很大距离。
近年来，由于 YBCO（钇钡铜氧）二代高温超导材料的产业化、 AI 强化学习进行对约束磁场的实时动态操控等技术突破，可控核聚变这座圣杯被认为有望在 10 年内被攻克，曾被人调侃的可控核聚变” 永远再等 30 年” 则有希望随之成为历史。相伴而来的则是该领域产业化的热潮，创业公司融资额大幅增加：截止至 2015 年可控核聚变领域创业公司总融资额为 4.2 亿美元，到 2020 年增长为 15 亿美元，而到 2021 年则增加至 44 亿美元；同时创业公司数量则从 2015 年的 12 家增加到 2021 年的 30 家。
部分可控核聚变领域的代表性创业公司简介如下：
Commonwealth Fusion Systems (CFS)：成立于 2018 年，由麻省理工学院等离子体与聚变研究中心孵化而来。 CFS 采用托卡马克技术路线，采用高温超导线圈产生强磁场（~20T，地球磁场 40 万倍）约束聚变等离子体，目前正在建造线圈和聚变装置。公司累计融资额超过 20 亿美元，预计 2030 年实现聚变产能。
图 3｜CFS 公司托卡马克聚变装置 “SPARC” 示意图
Tokamak Energy：成立于 2009 年，位于英国牛津。 Tokamak Energy 采用球形托卡马克路线，于 2022 年等离子体达到 1 亿度高温。公司累计融资 2 亿美元，预计 2030 年代实现聚变产能。
图 4｜Tokamak Energy 公司球形托卡马克聚变装置 ST40 示意图
TAE technologies：成立于 1998 年，位于美国加州。 TAE 采用磁约束中的场反位形技术路线，同时通过将等离子体从两侧向中间发射对撞进行聚变点火。公司于 2021 年等离子体达到 5000 万度高温。公司累计融资 12 亿美元，预计 2030 年之前实现聚变产能。
图 5｜TAE technologies 公司聚变装置 “Norman” 示意图。装置高 7m，长 24m
First Light Fusion：成立于 2011 年，位于英国牛津。公司采用惯性约束路线，但是使用自行设计的”Big Friendly Gun” 电磁炮发射高速钨弹取代激光轰击聚变燃料靶进行点火。 2022 年公司在实验中证实了该独特设计可以实现聚变反应。公司累计融资 1 亿美元。
图 6｜First Light Fusion 公司聚变装置 “Big Friendly Gun” 示意图。装置高 15m
星环聚能：成立于 2021 年，位于中国西安，创始团队核心成员均毕业自清华大学工程物理系。公司采用球形托卡马克技术路线，同时采用独特的磁重联加热技术进行聚变点火。公司累计融资额 2 亿元人民币，投资方包括顺为资本（领投）、中科创星、昆仑资本等。目前星环聚能已经和清华大学合作完成 SUNIST-2 实验装置的建设，计划于本年度验证磁重联加热技术并实现 1700 万度的聚变等离子体温度；预计 2030 年前后最终实现聚变产能。
图 7｜星环聚能与清华大学合作建设的 SUNIST-2 聚变实验装置
能量奇点：成立于 2021 年，位于中国上海，创始人为斯坦福大学理论物理学博士杨钊。公司采用托卡马克技术路线，并由高温超导线圈产生强磁场约束聚变等离子体。公司累计融资额 4 亿元人民币，投资方包括米哈游和蔚来资本（领投）、红杉中国种子基金、蓝驰创投等。
五、写在最后
从爱因斯坦质能方程提出到今天已经过去了一个多世纪，从 1950 年代开始研究可控核聚变反应至今也已有七十多年。这期间对可控核聚变的探索驱动了等离子体、流体力学、机械、材料学等等多个领域的进步。未来人类对能源的利用不会限于化石能源或太阳能，对空间的探索也不会限于地球乃至太阳系。
让我们对核聚变的发展保持信心与关注，循此苦旅，以达星辰。
