3月17日消息，中國(guó)和美國(guó)正在競(jìng)相實(shí)現(xiàn)首個(gè)電網(wǎng)規(guī)模的核聚變能源。盡管美國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)領(lǐng)先數(shù)十年，但中國(guó)正以雙倍投入和創(chuàng)紀(jì)錄的項(xiàng)目加速追趕。

核聚變常被稱為清潔能源領(lǐng)域的“圣杯”，每公斤燃料所能產(chǎn)生的能量是傳統(tǒng)核裂變的四倍，是煤炭燃燒的四百萬(wàn)倍，而且不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體或長(zhǎng)期放射性廢物。據(jù)研究機(jī)構(gòu)Ignition Research預(yù)測(cè)，如果計(jì)劃進(jìn)展順利，到2050年，核聚變市場(chǎng)的規(guī)模至少將達(dá)到1萬(wàn)億美元。

然而，核聚變領(lǐng)域目前面臨著一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程教授丹尼斯·懷特（Dennis Whyte）指出：“目前宇宙中唯一運(yùn)行的核聚變發(fā)電廠就是恒星。”

美國(guó)在1952年通過(guò)氫彈試驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模核聚變釋放（但不可控）。此后的70年里，全球科學(xué)家一直在努力將核聚變反應(yīng)用于發(fā)電。

核聚變反應(yīng)發(fā)生在氫原子在極端高溫下，它們會(huì)融合在一起，形成一種超高溫氣體，也就是等離子體。理論上，這個(gè)過(guò)程中釋放的質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為巨大的能量，但等離子體通常難以控制。一種常見(jiàn)的方法是使用強(qiáng)大的磁體將等離子體懸浮并控制在一種金屬環(huán)形真空室（托卡馬克）內(nèi)。

另一種方法則是使用高能激光，瞄準(zhǔn)胡椒粒大小的燃料顆粒，迅速壓縮并引發(fā)內(nèi)爆。2022年，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（NIF）通過(guò)這種方式首次實(shí)現(xiàn)了核聚變點(diǎn)火，產(chǎn)生了凈正能量。

自那以后，美國(guó)核聚變初創(chuàng)企業(yè)獲得的私人投資激增。根據(jù)核聚變工業(yè)協(xié)會(huì)（FIA）的數(shù)據(jù)，投資額從2021年的12億美元飆升至超過(guò)80億美元。FIA的40家成員公司中，有25家位于美國(guó)。

為滿足人工智能數(shù)據(jù)中心激增的能源需求，大型科技公司正推動(dòng)傳統(tǒng)核能（基于核裂變而非核聚變）投資大幅增加。亞馬遜、谷歌和Meta已簽署承諾，計(jì)劃到2050年將全球核能產(chǎn)量增加兩倍。

FIA首席執(zhí)行官安德魯·霍蘭德（Andrew Holland）表示：“如果你關(guān)心人工智能，關(guān)心能源領(lǐng)導(dǎo)地位……你就必須投資核聚變。如果美國(guó)不在這個(gè)領(lǐng)域取得先手，中國(guó)就會(huì)領(lǐng)先?！?/p>

資金、規(guī)模和速度

盡管美國(guó)擁有最多正在運(yùn)行的核電站，但中國(guó)在新建核電項(xiàng)目上獨(dú)占鰲頭。盡管中國(guó)首個(gè)核反應(yīng)堆的動(dòng)工時(shí)間比美國(guó)晚近40年，但現(xiàn)在中國(guó)在建的核裂變發(fā)電站數(shù)量遠(yuǎn)超其他國(guó)家。

中國(guó)在21世紀(jì)初加入核聚變競(jìng)賽，比美國(guó)晚了約50年。當(dāng)時(shí)，中國(guó)與30多個(gè)國(guó)家合作，參與了法國(guó)的國(guó)際大型熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）項(xiàng)目。然而，ITER項(xiàng)目此后遭遇了重大延誤。

盡管世界各國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，但美國(guó)的私營(yíng)部門仍處于領(lǐng)先地位。FIA數(shù)據(jù)顯示，在全球80億美元的私人核聚變投資中，美國(guó)占60億美元。

其中，麻省理工學(xué)院孵化的初創(chuàng)公司Commonwealth Fusion Systems融資最多，接近20億美元，投資者包括微軟聯(lián)合創(chuàng)始人比爾·蓋茨（Bill Gates）、亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝索斯（Jeff Bezos）和谷歌。

總部位于華盛頓的Helion則從OpenAI聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官山姆·奧特曼（Sam Altman）等投資者處籌集了10億美元資金，并與微軟達(dá)成了一項(xiàng)雄心勃勃的協(xié)議，計(jì)劃在2028年前將核聚變電力并入電網(wǎng)。

同時(shí)，谷歌支持的TAE Technologies也籌集了12億美元資金。TAE Technologies首席執(zhí)行官米歇爾·賓德鮑爾（Michl Binderbauer）表示：“誰(shuí)擁有近乎無(wú)限的能源，誰(shuí)就能影響你所想到的一切。若掌控權(quán)落入錯(cuò)誤之手，那將產(chǎn)生可怕的后果?！?/p>

而在公共資金方面，中國(guó)大幅領(lǐng)先。美國(guó)能源部下屬核聚變能源科學(xué)辦公室的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)政府每年投入約15億美元用于支持核聚變研究，而美國(guó)聯(lián)邦政府過(guò)去幾年對(duì)核聚變的年均投入約為8億美元。

特朗普總統(tǒng)在首個(gè)任期內(nèi)曾大力支持核能，包括核聚變，而這一政策也延續(xù)到了拜登總統(tǒng)任期。然而，在聯(lián)邦政府大規(guī)?？s減開支的背景下，特朗普第二任期內(nèi)的核聚變開發(fā)前景尚不明朗。

今年2月，美國(guó)參議員和核聚變專家發(fā)布報(bào)告，呼吁聯(lián)邦政府投入100億美元，以幫助美國(guó)保持領(lǐng)先地位。然而，在反應(yīng)堆規(guī)模方面，美國(guó)可能已經(jīng)失去了領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。通常而言，反應(yīng)堆的規(guī)模越大，加熱和約束等離子體的效率越高，產(chǎn)生凈正能量的可能性也越大。

美國(guó)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)公司Planet Labs提供的一系列衛(wèi)星圖像顯示，2024年中國(guó)正在四川綿陽(yáng)快速建設(shè)一座巨型激光核聚變實(shí)驗(yàn)設(shè)施。CNA Corporation的德克爾·伊夫萊斯（Decker Eveleth）指出，該設(shè)施的聚變反應(yīng)容器穹頂大約是NIF同類設(shè)施的約兩倍大。FIA的霍蘭德表示，該設(shè)施可能是一個(gè)聚變-裂變混合反應(yīng)堆。

中國(guó)現(xiàn)有的國(guó)家級(jí)托卡馬克項(xiàng)目EAST近年來(lái)不斷創(chuàng)下新紀(jì)錄，并與法國(guó)的WEST項(xiàng)目在等離子體約束時(shí)間上展開競(jìng)爭(zhēng)。然而，與美國(guó)實(shí)現(xiàn)凈能量增益這一關(guān)鍵目標(biāo)相比，這仍屬次要里程碑。另一個(gè)由中國(guó)政府資助的大型項(xiàng)目夸父（CRAFT）預(yù)計(jì)今年完工。這個(gè)位于合肥、占地超過(guò)40公頃、耗資7億美元的核聚變園區(qū)，也將建設(shè)一個(gè)新的托卡馬克裝置BEST，預(yù)計(jì)2027年完工。

霍蘭德指出，中國(guó)的夸父項(xiàng)目似乎與美國(guó)科學(xué)家在2020年發(fā)布的計(jì)劃相似。他說(shuō)：“美國(guó)國(guó)會(huì)沒(méi)有采取任何行動(dòng)以投入資金實(shí)施該計(jì)劃，而中國(guó)則已經(jīng)在推進(jìn)?！?/p>

人才與材料

中國(guó)快速部署新核聚變項(xiàng)目的同時(shí)，美國(guó)的努力主要集中在升級(jí)現(xiàn)有設(shè)備，其中一些已有30多年歷史。TAE的賓德鮑爾表示："沒(méi)有人愿意在'老古董'上工作"，并補(bǔ)充新項(xiàng)目更能吸引人才，"存在一定的人才流失問(wèn)題"。

21世紀(jì)初，美國(guó)國(guó)內(nèi)核聚變研究的預(yù)算削減迫使大學(xué)停止新設(shè)備研發(fā)，研究人員轉(zhuǎn)而前往其他國(guó)家（包括中國(guó)）的裝置進(jìn)行研究。Commonwealth Fusion Systems聯(lián)合創(chuàng)始人鮑勃·穆姆加德表示："我們沒(méi)有自建新設(shè)備，而是去中國(guó)協(xié)助建造，當(dāng)時(shí)想著'這樣挺好，他們擁有設(shè)施，我們能獲取知識(shí)'。唉，這其實(shí)是個(gè)大錯(cuò)誤。"

根據(jù)報(bào)告，中國(guó)當(dāng)前核聚變專利數(shù)量居全球之首，核聚變科學(xué)與工程領(lǐng)域博士數(shù)量是美國(guó)的十倍。賓德鮑爾指出："西方有限的人才儲(chǔ)備被所有企業(yè)爭(zhēng)搶，這是根本性制約。"

除人才外，核聚變項(xiàng)目需大量高功率磁體、特種金屬、電容器及功率半導(dǎo)體等材料。Helion首席執(zhí)行官大衛(wèi)·柯特利（David Kirtley）透露，其最新原型機(jī)"北極星"（Polaris）的研發(fā)周期完全取決于半導(dǎo)體供應(yīng)。中國(guó)正試圖壟斷這些材料的供應(yīng)鏈，復(fù)制其在光伏和動(dòng)力電池領(lǐng)域的成功路徑?？绿乩麖?qiáng)調(diào)："中國(guó)在先進(jìn)材料研發(fā)上的投資強(qiáng)度是美國(guó)的十倍，我們必須改變現(xiàn)狀。"

總部上海的核聚變企業(yè)能量奇點(diǎn)聲明"無(wú)疑受益于中國(guó)高效供應(yīng)鏈"。2023年6月，該公司宣布在開始設(shè)計(jì)托卡馬克僅兩年后，就以創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間成功產(chǎn)生等離子體。

不過(guò)，這距離實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)級(jí)商業(yè)化核聚變發(fā)電仍有差距。Helion目標(biāo)2028年率先并網(wǎng)，Commonwealth宣布將在弗吉尼亞州建設(shè)首個(gè)聚變電站ARC，計(jì)劃2030年代初投運(yùn)。

麻省理工學(xué)院懷特教授總結(jié)："即使首個(gè)聚變電站落戶美國(guó)，我們也不應(yīng)自滿。真正的終點(diǎn)是建立成熟的核聚變產(chǎn)業(yè)，為全球（包括AI中心）提供能源解決方案。"