浩大工程第一步，米哈游投资的核聚变公司点亮等离子体

原理早已明确，项目充满挑战。

文丨何骞明

编辑|黄俊杰

2022年夏天，数亿元风险投资投资于中国两家核聚变初创公司。我们在科技专栏发表了一篇文章，介绍了可控核聚变的技术进展、投融资情况。

两年后，核聚变实验装置在上海临港建成，完成初步技术验证。看起来并不宏伟。主体部分仅3米高，周围布满了各种管道，用于输送实验所需的气体、冷却剂和电力等“原材料”。

在打开它之前，需要几周的时间才能将空气从设备中吸出，从而在内部形成真空。然后周围的设施花费数周时间将液氮和液氦注入真空之外的区域，将其温度降低至约-240度，然后将电流注入位于内部的超导体中，形成强大的螺旋磁场。维持这样的环境每月要花费30万元的电费。

在能量奇点70建造的核聚变实验装置。

其主要功能是实验所建设施能否成功点亮等离子体——，即除气、液、固之外的第四种物质形态。 —— 这是实现核聚变最基本的条件。

当工程师点击“开始实验”按钮的那一刻，大量的电子就会沿着螺旋磁场轰击提前注入真空室的氦气，将其变成高速旋转的等离子体。与此同时，周围的设备以与等离子体旋转相同的频率向等离子体发射电磁波，将其加热到500 万度。

整个测试过程只持续了几十毫秒，连人眨眼的时间都不够。但为了实现这一瞬间的测试，由米哈游、蔚来资本、红杉中国等投资的奇点能源花了2年时间，投资近2亿元人民币，打造了这个名为红黄70的实验装置。

Energy Singularity首席执行官杨钊表示，此次测试验证了公司技术路线的可行性。他们将投资数十亿元研发下一代装置，将于2027年完工，实现10倍以上的能量增益。即每输入10千瓦时的能量，可产生100千瓦时的电力。目前还没有可控核聚变装置能够实现这一目标。

能源奇点的新趋势是众多可控核聚变初创公司的进展之一。另一家中国核聚变初创公司星环能源也于去年7月建成了第一代实验装置并成功运行。它正在开发下一代设备。

美国的核聚变初创企业更加激进。 Helion计划在2028年建造能够发电的核聚变装置，并已与微软签署了供电协议； TAE Technologies宣布将于2030年实现核聚变商业化……至少有四家公司设定了到2030年利用核聚变发电的目标。

可控核聚变原理早已为人所知，但难点在于工程化

早在制造核裂变炸弹的曼哈顿计划启动之前，科学家们就已经掌握了核聚变的原理：两个轻原子核（例如氘和氚）结合起来释放出巨大的能量。

第一次人造核聚变于1952年完成，第一颗氢弹在太平洋比基尼岛爆炸，其威力比投在广岛的原子弹威力大500倍。

轻原子核都带有正电荷，自然相互排斥。两个原子核碰撞结合需要合适的条件。首先，它们必须转化为离子（液体、固体和气体以外的物质形式）并加热到至少1 亿摄氏度。只有这样，才能克服斥力，使原子核结合起来，产生核聚变。 —— 太阳表面通过核聚变产生能量。该地区气温不超过1500万摄氏度。

所有氢弹都是直接引爆原子弹，实现核聚变。但要利用核聚变发电，显然必须采用更温和的方法来加热等离子体。

已经有一些设备成功地将等离子体加热到1.5亿摄氏度以上，但持续时间很短，大多以秒为单位。由于等离子体极其不稳定，它就像一种不断搅拌的高温带电气体。反应堆需要将等离子体持续稳定地压缩在有限的空间内（Plasma Confinement），使原子核能够频繁碰撞并持续释放能量。

一位研究核聚变20年的专家表示，等离子体“在研究上是一个无底洞”，会发生许多复杂的物理现象。目前，还没有模型可以准确预测等离子体如何移动。只能想办法通过外力来压缩它。

研究持续时间最长、最有前途的是Lev Artzmovich等人于20世纪50年代末发明的托卡马克装置，以及美国加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研制的惯性装置。受限聚变（ICF）装置，分别代表核聚变中的磁约束和惯性约束路线。

欧洲托卡马克装置JET的内部结构。托卡马克是一个“带有电磁线圈的环形真空室”。该名称源自四个俄语单词的缩写：toroidal、kamera、magnet 和kotushka。来源：JET

在托卡马克装置中，原子被送入类似甜甜圈的真空环形通道，并被微波加热形成等离子体。通道的每个方向都被不同形状的磁线圈包裹。当这些线圈通电时，它们会形成磁场，将一亿摄氏度的等离子体压缩到一定的密度，并将其变成高速螺旋。

美国科学家提出的惯性约束聚变（ICF）装置模拟原子弹引发氢弹爆炸的过程：利用激光或粒子束撞击密封在特定空间内的燃料，创造高温高压环境，从而实现核聚变。

惯性约束核聚变装置的部分内部结构。图片来自美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室。

目前持续时间最长的人工核聚变，欧洲多国共同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69.26兆焦耳的热量和——19.24千瓦时的电力。而且它消耗的能量比它生产的—— 还要多，而且在商业上还不可行。完成这项实验后不久，JET 就被拆除了，1983 年建造的实验设施不再是继续研究的理想工具。

美国加利福尼亚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年和2023年的两次核聚变实验中以更少的能量产生了更多的能量，但他们没有打开启动激光器。消耗的能量被考虑在内。该装置仅产生3.15 兆焦耳的能量。

如果能够像设想的那样维持高温，等离子体保持高密度，核聚变就能以可控的方式持续发生，并建造出与现有核电站功率相同、几乎没有放射性污染风险的超级核电站。将会诞生。

政府机构正在积极推动这一方向的核聚变研究，但效率低下。最典型的例子就是超大型托卡马克装置ITER（国际热核实验反应堆）。整个装置高约30米，相当于十层楼高。

该项目由苏联和美国政府于1985年发起，承载着冷战合作的希望，也是迄今为止核聚变研究领域最雄心勃勃的投资。理论上，如果托卡马克装置足够大，就会更容易用磁铁控制离子，从而实现更高效的核聚变。 ITER的目标是将等离子体加热到最高3亿摄氏度，维持核聚变实验500秒，每小时使用5万千瓦时的电力，释放50万千瓦时的能量。届时，可控核聚变将指日可待。

冷战结束后，俄罗斯财力有限，美国政府也在减少核聚变研发支出。直到2006年中国、欧盟、日本、印度和韩国加入，ITER建设计划才正式敲定。

多国合作可以分担成本，但效率也会大幅降低。 ITER 预计要到明年才能建成，然后再投入使用十年，并在2035 年全面投入运行。

ITER项目几十年来的曲折，让很多对核聚变抱有希望的人感到疲惫。在此期间，诞生了“可控核聚变还有30年”的笑话。

像SpaceX 一样，从重复政府当年所做的事情开始

2021年迎来转机。商业公司的聚变研究有新进展，私人资本涌入。

当年6月，已有8年历史的聚变初创公司Helion宣布已将等离子体加热至1亿摄氏度，实现了此前只有政府项目才能实现的壮举。五个月后，OpenAI CEO Sam Altman、PayPal 联合创始人Peter Thiel 等硅谷名人和风险投资机构向Helion 投资5 亿美元，创下核聚变领域融资纪录，追平美国政府对核聚变的资助研究。拨款金额相等。如果Helion能够继续爆发，他们承诺至少再投资17亿美元。

同年11 月底，独立于MIT 三年的核聚变初创公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）宣布获得超过18 亿美元融资，这一数字超过了此前所有融资额核聚变初创公司合并。提供这笔钱的人是比尔。盖茨、乔治·索罗斯、谷歌、DFJ、Emerson Collective 和其他30 位富有的个人、公司或机构。

投资者认为CFS的突破是前所未有的。他们与麻省理工学院合作，制造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，比ITER磁场强1.5至2倍。

磁场越强，束缚等离子体的能力就越强，核聚变效应也会增强。他们的研究彻底揭示了核聚变发展的另一条路径：建造小型托卡马克装置也能更高效地产生能源，而不需要像ITER那样消耗大量材料和时间。这也是Energy Singularity选择的技术方向。

新的技术进步和两轮大规模融资点燃了核聚变创业热情。根据聚变工业协会的数据，截至2023 年6 月，全球已有40 多家聚变初创公司从投资者那里筹集了近60 亿美元。

借助政府机构数十年的研究以及新的技术进步和材料，初创公司可以建造小型核聚变装置，只需要数亿美元来验证技术方向，并且装置的建设周期可以缩短缩短至3至5年。

“利用托卡马克装置实现核聚变已经非常足够了，我们不需要做太多的科学验证或研究，我们只需要专注于解决工程问题。”奇点能源首席运营官叶玉明说道。在这个过程中，成本成为关键。他告诉我们，当他开始设计第一代装置时，技术积累不多的Energy Singularity曾考虑将部分设计外包给参与ITER项目的科研机构，但因为对方的价格太高，他转而自己设计。 “无论是铜导体还是高温超导体，物理原理都是一样的。”设计方案确定后，他们依靠多家在核电领域多年发展的供应商来打造第一代装置：

上海电气核电集团为红黄70托卡马克能源奇点主机系统生产了关键设备：真空室、杜瓦瓶和冷屏。上海超导为红黄70提供全部高性能超导磁体材料。中核工业第五建设有限公司帮助能源奇点组装洪荒70。

2024年1月，能源奇点集结了史前70个场景。

在能源奇点的规划中，红黄七十的建造只是为了完成技术方向的验证。 “用相对较短的时间和较小的成本来验证技术路线的可行性，规避风险，然后开发和建造投资更大、性能更高的机器。”安装。”

这是大多数商业公司所做的。不同的聚变初创公司选择了20多种不同的解决方案来建造核聚变装置，所有这些都依赖于过去几十年的研究成果并一步步迭代。

例如，Helion在成立十几年后，已经将设备迭代到了第七代。将于2028 年为微软提供动力的核聚变是他们的第八代设施，目前仍在设计中。

“（与微软的合作）是一项具有约束力的协议，如果我们不建立它，将会受到经济处罚。” Helion 首席执行官David Kirtley 说道。同年，Helion还与纽柯公司达成协议，将于2030年建造一座聚变反应堆，帮助其炼钢。

用低成本的解决方案来建造以前需要政府巨额投资建造的设备，然后一次又一次升级迭代，是SpaceX 在火箭和航天器上已经证明的一条发展道路。不同的是，2002年SpaceX成立时，政府设计的火箭已经将人类送入太空，登陆月球，并建立了国际空间站。 SpaceX 的大部分进展都是以较低的成本解决NASA 已经解决的问题，以刺激商业应用。核聚变是半个多世纪以来各大国政府都无法突破的难题。即使商业公司赶上了政府科研的进展，前面仍然存在问题。

由AI驱动，也驱动AI

聚变商业公司的信心部分来自于人工智能技术的进步。

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。关键是要继续进行核聚变，使其产生的能量远远大于核聚变过程消耗的能量。

每一次核聚变实验，科学家都需要根据原理和感受提前准备好磁体的参数，每秒数千次调整电压，让磁场发生变化，尽量避免高温等离子体撞壁真空室的。否则的话，就只有两种方法了。结果：等离子体温度下降，或者器件被损坏。不管怎样，核聚变不会持续下去。

AI可以从历史数据，包括模拟数据中学习如何更好地控制等离子体。它的学习过程类似于DeepMind的AlphaGo学习下围棋。它首先设定一个目标——来精确控制等离子体。达到后会有奖励，否则会有惩罚。在一次又一次的实验中，人工智能可能会找到一种方法来长期控制等离子体，让核聚变继续进行。

2022 年2 月，一篇Google DeepMind 研究论文经过同行评审并发表在期刊《自然》 上。在瑞士等离子体中心的托卡马克装置中，经过强化学习训练的人工智能每秒可以一次控制19 个磁线圈。通过数万次释放电压，等离子体的控制水平远远超出了经验丰富的科学家的水平。

谷歌DeepMind开发的AI算法控制等离子体情况。

此后，利用人工智能监测和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AI算法，可以提前300毫秒预测等离子体是否会爆发，协助科学家实时调整参数，从而延长核聚变反应时间。

DeepMind 也在持续优化算法。在去年7月发表的一篇论文中，他们介绍了一种新方法，将训练控制等离子体的AI算法的时间减少到1/3，并将控制精度提高了65%。

一位中国核聚变公司的创始人表示，DeepMind第一篇论文发布后，他们就着手复制其人工智能模型，并将其运用到自己的项目中。它正在成为融合初创公司的标准。

随着大模型的流行，人工智能和核聚变这两种诞生于20 世纪50 年代的技术的联系变得更加紧密。

运行大型模型比传统算法需要更多的能量。国际能源署（IEA）在今年早些时候发布的一份报告中提到，使用谷歌搜索大约消耗0.3瓦时（Wh）电力，而使用ChatGPT一次将达到2.9瓦时。他们预测，如果算法功耗不降低，到2026年，运行大型模型的数据中心消耗的电力可能会增加一倍，年用电量将超过1,000太瓦时（TWh）33,354，大致相当于整个日本的水平。

随着全球向电气化转型并希望减少二氧化碳排放，大型车型的推广增加了电力消耗，给全球电力系统带来了更大的压力。亚马逊爱尔兰数据中心已经限制用户使用，因为其GPU 消耗过多电量。

一些公司将目光投向核电。例如，微软已经开始招募核能专家，希望利用小型核反应堆为数据中心供电。今年3 月，AWS 购买了一座建在核电站旁边的数据中心。

“未来的人工智能需要能源突破，而人工智能消耗的电力远远超出人们的预期。”奥特曼今年早些时候表示，他相信核聚变是最根本的解决方案。 “它鼓励我们增加对核聚变的投资。 ”他是核聚变公司Helion的董事会主席。

“当社会需要核聚变技术时，核聚变就能实现。” 20世纪50年代，苏联核物理科学家列夫·阿尔西莫维奇在研制出托卡马克装置后说道。现在显然比以往任何时候都更需要诸如受控核聚变之类的神奇技术。

标题图：能源奇点搭建的核聚变实验装置运行18.7毫秒点亮等离子体；资料来源：能源奇点。

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