浩大工程第一步，米哈游投资的核聚变公司点亮等离子体

原理早已清楚，工程充满挑战。

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文通和甘明

编辑黄俊捷搜狗明医官网

2022年夏天，中国两家核聚变初创公司获得数亿风险投资。在科技专栏中，我们介绍了受控核聚变中的技术进步、投资和融资。

两年后，在上海临港建成了核聚变实验装置，完成了初步的技术验证。它看起来并不宏大，主体部分只有3米高，周围插着各种管子，输送气体、冷却剂、电力等“原材料”进行实验。

在启动它之前，需要几周时间将空气体从设备中抽出，并在内部创建一个真正的空环境。然后周围的设施会花几个星期的时间将液氮和液氦注入真空室空的室外区域，将它们的温度降低到零下240度左右，然后向其中的超导体注入电流，形成强大的螺旋磁场。维持这样的环境，每个月要花30万的电费。

能量奇点建造的核聚变实验装置是红黄70。

它的主要作用是实验看看该设施能否成功点燃等离子体——除了气体、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本条件。

工程师点击“开始实验”按钮后的一瞬间，大量电子会沿着螺旋磁场轰击预先注入真空空室的氢气，使其变成高速旋转的等离子体。同时，周围的设备向等离子体发射相同旋转频率的电磁波，将其加热至500万度。

整个测试过程只持续了几十毫秒——已经很久没有人眨眼了。然而，为了实现这种即时测试，由米哈游、蔚来资本和红杉中国投资的能源奇点(Energy Singularity)花了两年时间，投资近2亿元人民币，打造了这台名为弘皇70的实验装置。

能源奇点CEO杨钊表示，本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人民币开发下一代设备——红黄170，将于2027年完成，实现10倍以上的能量增益——即每输入10度电产生100度电。目前还没有可控核聚变装置达到这个目的。

能源奇点的新趋势是许多受控核聚变多创业公司的进步之一。中国另一家核聚变创业公司星环聚能也在去年7月建成了第一代实验装置，并成功运行，正在研发下一代装置。

美国核聚变创业公司更激进。Helion计划在2028年建造一个可以发电的核聚变装置，并与微软签署了供电协议。TAE科技公司宣布将在2030年实现核聚变的商业化…至少有四家公司设定了在2030年通过核聚变发电的目标。

可控核聚变的原理早就清楚了，难点是工程。

早在建造核裂变原子弹的曼哈顿计划开始之前，科学家们就已经掌握了核聚变的原理:两个轻原子核(如氘和氚)结合在一起会释放出巨大的能量。

第一次人工核聚变完成于1952年。第一颗氢弹在太平洋的比基尼岛爆炸空，威力是投在广岛的原子弹的500倍。

轻原子核带正电，自然互相排斥。如果你想让两个原子核碰撞结合，你需要合适的条件。首先，它们必须变成离子体(除液体、固体和气体以外的物质)，并加热到至少1亿摄氏度，才能克服排斥力，使原子核结合产生核聚变——太阳表面通过核聚变产生能量的区域温度只有1500万摄氏度。

所有氢弹都是直接引爆原子弹实现核聚变。但要用核聚变发电，显然需要用更温和的方式加热等离子体。

目前，一些设备已经成功地将等离子体加热到1.5亿摄氏度以上，但它们不能持续很长时间，大多以秒计。因为等离子体极不稳定，就像不停翻腾的高温带电气体。反应堆需要在有限的空等离子体约束中持续稳定地压缩等离子体，使原子核能够频繁碰撞，持续释放能量。

一位研究核聚变20年的专家说，等离子体是“一个无底洞”，会发生很多复杂的物理现象。目前还没有模型能准确预测等离子体如何运动，只能尝试用外力压缩。

20世纪50年代末Lev Alzheimer等人发明的托卡马克装置和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约束聚变(ICF)装置是最有前途的装置，分别代表核聚变中的磁约束和惯性约束路线。

欧洲托卡马克喷流的内部结构。托卡马克是“带有电磁线圈的环形真空室”，它的名字来源于四个俄语单词的缩写:toroidal、kamera、magnetic和kotushka。来源:JET

在托卡马克装置中，原子被送入一个类似甜甜圈的真空环形通道，被微波加热成等离子体。通道的每个方向被不同形状的磁线圈包裹。这些线圈通电形成磁场，将1亿摄氏度的等离子体压缩到一定密度，使其变成高速螺旋。

美国科学家提出的惯性约束聚变(ICF)装置模拟了原子弹引发氢弹爆炸的过程:密封在特定房间空内的燃料受到激光或粒子束的冲击，产生高温高压环境，从而实现核聚变。

惯性约束聚变装置的内部结构。图片来自美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室。

目前人工核聚变持续时间最长。JET是由欧洲多国共同投资的托卡马克装置，去年年底实现了5.2秒的核聚变，产生69.26兆焦耳的热量-19.24千瓦时。而且它消耗的能量比它产生的能量还多，这在商业上是不可行的。这个实验完成后不久，JET就被拆除了，这个建于1983年的实验装置不再是进一步研究的理想载体。

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，但他们没有计算启动激光器所消耗的能量。而这个装置产生的能量只有3.15兆焦耳。鲁丽刚厂

如果能维持高温，维持设想的等离子体密度，核聚变就能以可控的方式继续进行，一座与现有核电站功率相当、几乎没有放射性污染风险的超级核电站就诞生了。

政府机构积极推动该方向的核聚变研究，但效率较低。最典型的例子是ITER(国际热核实验反应堆)，一个非常大的托卡马克。整个装置高约30米，高达十层楼。

这个由苏联和美国政府于1985年发起的项目，承载着冷战时期双方合作的希望，也是迄今为止最雄心勃勃的核聚变研究投资。理论上讲，如果托卡马克装置足够大，通过磁力控制等离子体会更容易，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5万千瓦时的能量，释放50万千瓦时的能量。到那时，可控核聚变将接近成为现实。

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

跨国合作可以分摊成本，但效率也会明显降低。ITER预计明年才能建成，之后还要再调试十年，2035年正式投入运营。

ITER计划经历了几十年的波折，这让许多对核聚变抱有希望的人感到厌倦。这期间，诞生了“离可控核聚变永远还有30年”的嘲讽。

像太空探索技术公司一样，重新做政府过去做过的事情。

转机时间是2021年。商业公司在核聚变研究方面有了新的进展，民间资本大量涌入。

当年6月，成立8年的核聚变初创公司Helion宣布将等离子体加热到1亿摄氏度，实现了只有政府项目才能做到的壮举。5个月后，OpenAI首席执行官山姆·奥特曼(Sam altman)、PayPal联合创始人彼得·泰尔等硅谷名人和风险投资机构向Helion注资5亿美元，创下核聚变领域融资纪录，相当于美国政府拨给核聚变研究的经费。如果Helion能够继续突破，他们承诺至少再投资17亿美元。

同年11月底，从麻省理工学院独立出来三年的核聚变创业公司Commonwealth Fusion Systems(CFS)宣布获得超过18亿美元的融资，超过了此前所有核聚变创业公司的总和。这笔钱是由比尔·盖茨、乔治·索罗斯、谷歌、DFJ和艾默生集体等30位富人、公司或机构支付的。

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，是ITER的1.5~2倍。

磁场越强，约束等离子体的能力越强，核聚变效果越好。他们的研究完全揭示了核聚变发展的另一条道路:建造一个小型托卡马克装置也可以更高效地产生能量，不再需要像ITER那样消耗大量的材料和时间。这也是能量奇点选择的技术方向。

新的技术进步和两轮大规模融资点燃了核聚变创业的热情。根据核聚变行业协会的统计，截至2023年6月，全球已有超过40家核聚变创业公司从投资者手中筹集了近60亿美元的资金。

借助政府机构过去几十年的研究，以及新的技术进步和材料，创业公司只需要数亿美元就可以建造小型核聚变装置，装置的建造周期可以缩短到3-5年。

“用托卡马克装置实现核聚变就足够了。我们不需要做太多的科学验证或研究，只需要专注于解决工程问题。”能源奇点首席运营官叶余明说。在这个过程中，成本成为关键。他告诉我们，当我们开始设计第一代装置时，技术积累不多的能源奇点考虑将部分设计外包给一家参与ITER项目的科研机构，但由于对方要价太高，我们转向自己设计。“不管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，他们由几家在核电领域发展多年的供应商建造了第一代装置:

2024年1月，能量奇点集结洪荒70场景。

在能源奇点的规划中，洪黄70的建设只是为了验证技术方向。“验证技术路线的可行性，规避风险，然后研发和建造一个投入更大、性能更高的装置，需要相对较短的时间和较小的成本。”

大多数商业公司都这样做。不同的核聚变创业公司选择了20多种不同的方案来建造核聚变装置，这些方案都依赖于过去几十年的研究成果，一步步迭代。

比如Helion从十几年前成立至今，已经将设备迭代到了第七代。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)是有约束力的协议。如果我们做不到，我们将受到经济上的惩罚。”Helion首席执行官大卫·科特利(David Kirtley)说。同年，Helion还与Nucor达成协议，建造核聚变反应堆，帮助其在2030年炼钢。

用低成本的解决方案来建造政府之前投入巨资的设备，然后一次又一次地升级迭代，这是太空探索技术公司行之有效的发展道路。不同的是，2002年太空探索技术公司成立时，政府工程制造的火箭已经将人类送上太空空并登陆月球，建立了国际站空。太空探索技术公司的大部分进步是以较低的成本解决了美国国家航空航天局解决的问题，以刺激商业应用。核聚变是大国政府努力了半个多世纪的难题。即使商业公司赶上了政府科研的进度，前面还是有问题。

由AI驱动，也要驱动AI。

核聚变商业公司的信心一部分来自于AI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。关键是继续核聚变，使其产生的能量远大于核聚变过程中消耗的能量。

在每一次核聚变实验中，科学家都需要根据原理和感觉提前控制磁铁的参数，每秒钟调整电压上千次，使磁场发生变化，尽可能避免高温等离子体撞击真空室内壁，否则只有两种结果:等离子体温度下降或者装置被破坏。无论如何，核聚变不会持久。

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学习围棋。先定好目标——精确控制血浆，达到了就有奖励，否则就有惩罚。在重复的实验中，AI可能会找到一种方法来长时间控制等离子体，并保持核聚变的进行。

2022年2月，谷歌DeepMind的一篇研究论文通过同行评审发表在《自然》杂志上。在瑞士等离子体中心的托卡马克装置中，经过强化学习和训练的AI可以一次控制19个磁线圈，每秒释放数万个电压，等离子体控制水平远超经验丰富的科学家。

谷歌DeepMind开发的AI算法控制等离子体。

此后，用人工智能监控等离子体的研究密集出现。普林斯顿大学今年3月发表论文，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也在不断优化算法。在去年7月发表的一篇论文中，他们介绍了一种新方法，将控制等离子体AI算法的训练时间缩短到1/3，控制精度提高了65%。

中国核聚变公司的一位创始人表示，在DeepMind的第一篇论文发表后，他们开始复制其人工智能模型，并将其用于自己的项目中。它正在成为核聚变创业公司的标准。

随着大模型变得炙手可热，AI和核聚变这两项诞生于20世纪50年代的技术有了更深层次的联系。

与传统算法相比，运行大型模型需要更多的能量。国际能源署(IEA)在今年早些时候发布的一份报告中提到，使用谷歌搜索一次大约消耗0.3瓦时(Wh)，而使用ChatGPT一次将达到2.9 Wh。他们预测，到2026年，如果不降低算法的功耗，运行大型模型的数据中心的功耗可能会增加一倍，年功耗将超过1000 TWH——大致相当于整个日本的水平。

在全世界都在向电气化转型，想要减少二氧化碳排放的当下，大规模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一直限制用户使用，因为GPU耗电太多。

一些公司已经将目光投向了核能。例如，微软已经开始招募核专家，希望使用小型核反应堆为数据中心供电。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需要一个能量的突破，AI消耗的能量远远超过人们的预期。”奥特曼今年早些时候表示，他认为核聚变是最根本的解决方案。“这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时，核聚变就能实现。”20世纪50年代，苏联核物理学家列夫·阿奇莫维奇(Lev Artsimovich)在研制出托卡马克装置后这样说道。显然，现在比以往任何时候都更需要可控核聚变这一奇迹般的技术。

标题:能量奇点构建的核聚变实验装置，运行18.7毫秒时点亮等离子体；来源:能量奇点。

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