永远离现实应用距离50年的核聚变,越来越被压缩为迫近当下的竞争,而非未来。
昨日,国际原子能机构在成都发布了《聚变能源展望2025》,定调今年全球聚变能探索已经进入决定性新阶段。今年以来,美国国家点火装置号称实现了Q值大于4;联邦聚变系统宣布收到谷歌200MW电力订单。中国紧凑型聚变能实验装置BEST正式进入总装阶段,预计2027年发电;“国家队”中国聚变能源公司成立,注册资本高达150亿元。
尤其是中国的这两项里程碑,这一周来,先后获得了欧洲议会研究服务处、美国特别竞争研究项目的核聚变报告的关注。欧洲有点焦虑,既担心自己做不到足够经济,又担心再次错过新一轮能源革命;美国喊着让政府赶紧先打款100亿美元。
聚变性能10年10倍,2030年代发电
过去70年来,聚变性能的进步没有明显停滞,呈现类似“摩尔定律”式的规律增长。
经典公式“劳森判据”认为,有效聚变能系统的能量增益取决于温度、燃料密度和约束时间的三乘积,要让Q>1,即实现净能量输出,三乘积应该大于一个定值。不同技术路线Q>1对应的三乘积定值不同。
三乘积以每10年1个数量级的速度提升着。目前,跑得最快的仍然是主流的激光惯性点火与托卡马克路线;新兴路径同样快速逼近。
从历史经验看,若趋势维持,2030年代将是聚变发电的关键十年。美国的SPARC项目、欧盟的ITER项目,以及中国的BEST项目,都是瞄着Q>1去的。其中,中国与美国的两个项目,已经近在眼前。尽管它们本质上都是实验装置,但将为商业发电验证技术与工程的可行性。

欧洲有点失落。按照传统路线图,欧洲的核聚变示范工厂将在2050年代建成,这是一个国际合作项目;然而,美国国家项目的文字游戏,以及涌现的私营企业打乱了欧洲的既定部署。它的报告认为,颇具争议的美国NIF项目,只是玩了一个文字游戏:它所谓的输出能量正收益,只不过是核聚变释放的能量,高于激光到达靶燃料的能量,但事实上,整个系统消耗了至少两个数量级的电能,去驱动激光器释放这些能量。
产业界的共识正在逐步成型。据美国核聚变产业协会的调研,全球45家受访聚变初创企业中,有21家认为会在2030年代初首次发电,其中,有3家认为将早于2030年。

在美国,迫切渴望数据中心接入更多电力的硅谷巨头,已经连续投下数张信任票。今年6月,联邦聚变系统宣布谷歌已成为自己的首个客户,预定了它200MW规模的核聚变电力,预计2030年初发电;比尔·盖茨旗下基金投资了该企业。去年5月,微软与Helion达成规模50MW的聚变电力订单,当时预计2028年上线发电;奥特曼也以个人身份投资了该企业。
还是中国与美国的戏
但是,美国的报告似乎并不关心欧洲的进展,坚持NIF全球第一,是唯一突破了Q>1的项目。只给欧洲留了一个小小的位置,其余位置通篇都是中国与美国的对比。国际原子能机构的报告则四平八稳,但它呈现的数据,也印证了商业聚变的全球竞争,将主要在中国与美国之间展开。
资金正在加速涌入,截至今年9月,全球聚变企业的股权融资金额,就已经超过了去年全年,为历史最高水平。融资主体也从概念验证型初创企业,转变为试验设施和原型机以及供应链联合体为主。运行、在建或规划中的聚变装置数量,已经从2021年的119座,攀升至2025年的172座。
尽管在这个领域,中国的累计融资金额仍然不及美国,但是据IAEA的报告,自2023年起,中国每一年的融资额都超过了美国。

美国的报告对中国的砸钱力度感到震惊,认为自2023年以来,中国为支持各种核聚变路线的基础设施,已经调动了高达130亿美元的资金。仅中国聚变能源公司的注册资本,就差不多是美国能源部聚变能源科学项目全年预算的3倍。该报告呼吁美国政府一次性拨款100亿美元来填补缺口;只靠风险资本是不够的。报告称,中国有多个投资规模超过20亿美元的项目;而美国目前只有一个,就是15年前建成的NIF。
更何况,中国的民间资本,在这场终极能源的竞赛中,也发挥着重要的角色。诺瓦聚变、能量奇点、星环聚能以及新奥能源,还有没有出现在下图的瀚海聚能都是民营企业;在南昌裂变聚变反应堆“星火”相关企业江西聚变,以及合肥BEST项目主体相关企业聚变新能里,民营资本也发挥着重要作用。

在这份报告里,美国担心如果政府不快点打钱,核聚变领域又将沦为美国引领科学研究,中国赢得规模应用的局面。但这一切似乎也在改变。截至今年9月,提交给IAEA聚变能大会的论文第一作者,27%来自中国,是排名第二的美国与第三的日本的总和。事实上,在这一领域的科研数量上的超越,在2020年前就已经实现。此外,中国培养的核聚变博士毕业生数量是美国的十倍。

供应链噩梦
与中国的核聚变竞争,最令美国头疼的,还是供应链安全。尽管它一定程度上是全新的赛道,但仍有不少关键矿物、电子组件、电气设备等可以微调与复用。就在这几天,A股多家上市公司披露了公司在核聚变装置BEST项目的布局。

在关键矿物领域,美国的“国产替代”进展实在太慢。中国生产了全球80%的钨,67%的钒,它们是面向等离子体部件的关键候选材料。用于生产氚燃料的锂-6,只有中国和俄罗斯能够量产。激光二极管需要镓、铟和锗,中国几乎垄断了,已经纳入出口管制。高温超导带材需要少量的重稀土钇,美国94%的进口来自中国,最近也纳入了出口管制。目前,美国只在铍与氦等元素上占据主导地位。
在其他组件方面,核聚变某些特种零部件,部分也来自中国供应商。整体上,中国在高功率开关和高压电容器领域处于领先地位。而美国本土在高温超导磁体制造领域,日本在高温超导带材领域占据优势。
最后,美国的报告总结陈词:赶紧打钱,加大补贴,抓紧盟友,利用AI加速……“我们输不起”。
