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永遠離現實應用距離50年的核聚變,越來越被壓縮為迫近當下的競爭,而非未來。
昨日,國際原子能機構(IAEA)在成都發布了《聚變能源展望2025》,定調今年全球聚變能探索已經進入決定性新階段。今年以來,美國國家點火裝置(NIF)號稱實現了Q值(能量增益系數)大于4;聯邦聚變系統(CFS)宣布收到谷歌200MW電力訂單。中國緊湊型聚變能實驗裝置BEST正式進入總裝階段,預計2027年發電;“國家隊”中國聚變能源公司成立,注冊資本高達150億元。
尤其是中國的這兩項里程碑,這一周來,先后獲得了歐洲議會研究服務處(EPRS)、美國特別競爭研究項目(SCSP)的核聚變報告的關注。歐洲有點焦慮,既擔心自己做不到足夠經濟,又擔心再次錯過新一輪能源革命;美國喊著讓政府趕緊先打款100億美元。
過去70年來,聚變性能的進步沒有明顯停滯,呈現類似“摩爾定律”式的規律增長。
經典公式“勞森判據(Lawson criteria)”認為,有效聚變能系統的能量增益(Q)取決于溫度、燃料密度和約束時間的三乘積,要讓Q1,即實現凈能量輸出,三乘積應該大于一個定值。不同技術路線對應的三乘積定值不同(比如下圖紅線粗線對應磁約束MCF,黑實線/金黑虛線對應慣性約束ICF)。
三乘積以每10年1個數量級的速度提升著。目前,跑得最快的仍然是主流的激光慣性點火與托卡馬克路線;新興路徑(Zpinch等)同樣快速逼近。
從歷史經驗看,若趨勢維持,2030年代將是聚變發電的關鍵十年。美國的SPARC項目、歐盟的ITER項目,以及中國的BEST項目,都是瞄著Q1去的。其中,中國與美國的兩個項目,已經近在眼前。盡管它們本質上都是實驗裝置,但將為商業發電驗證技術與工程的可行性。
歐洲有點失落。按照傳統路線圖,歐洲的核聚變示范工廠將在2050年代建成,這是一個國際合作項目;然而,美國國家項目的文字游戲,以及涌現的私營企業打亂了歐洲的既定部署。它的報告認為,頗具爭議的美國NIF項目,只是玩了一個文字游戲:它所謂的輸出能量正收益,只不過是核聚變釋放的能量,高于激光到達靶燃料的能量,但事實上,整個系統消耗了至少兩個數量級的電能,去驅動激光器釋放這些能量。
產業界的共識正在逐步成型。據美國核聚變產業協會(FIA)的調研,全球45家受訪聚變初創企業中,有21家認為會在2030年代初首次發電,其中,有3家認為將早于2030年。
在美國,迫切渴望數據中心接入更多電力的硅谷巨頭,已經連續投下數張信任票。今年6月,聯邦聚變系統(CFS)宣布谷歌已成為自己的首個客戶,預定了它200MW規模的核聚變電力,預計2030年初發電;比爾·蓋茨旗下基金投資了該企業。去年5月,微軟與Helion達成規模50MW的聚變電力訂單,當時預計2028年上線發電;奧特曼也以個人身份投資了該企業。
但是,美國的報告似乎并不關心歐洲的進展,堅持NIF全球第一,是唯一突破了Q1的項目。只給歐洲留了一個小小的位置,其余位置通篇都是中國與美國的對比。國際原子能機構的報告則四平八穩,但它呈現的數據,也印證了商業聚變的全球競爭,將主要在中國與美國之間展開。
資金正在加速涌入,截至今年9月,全球聚變企業的股權融資金額,就已經超過了去年全年,為歷史最高水平。融資主體也從概念驗證型初創企業,轉變為試驗設施和原型機以及供應鏈聯合體為主。運行、在建或規劃中的聚變裝置數量,已經從2021年的119座,攀升至2025年的172座。
盡管在這個領域,中國的累計融資金額(約50億美元)仍然不及美國(約75億美元),但是據IAEA的報告,自2023年起,中國每一年的融資額都超過了美國。
美國的報告對中國的砸錢力度感到震驚,認為自2023年以來,中國為支持各種核聚變路線的基礎設施,已經調動了高達130億美元的資金。僅中國聚變能源公司的注冊資本,就差不多是美國能源部(DOE)聚變能源科學(FES)項目全年預算的3倍。該報告呼吁美國政府一次性撥款100億美元來填補缺口;只靠風險資本是不夠的。報告稱,中國有多個投資規模超過20億美元的項目;而美國目前只有一個,就是15年前建成的NIF。
更何況,中國的民間資本,在這場終極能源的競賽中,也發揮著重要的角色。諾瓦聚變(NovaFusion)、能量奇點(Energy Singularity)、星環聚能(StarorusFusion)以及新奧能源(ENN),還有沒有出現在下圖的瀚海聚能(HHMAX)都是民營企業;在南昌裂變聚變反應堆“星火(XingHuo)”相關企業江西聚變,以及合肥BEST項目主體相關企業聚變新能(NeoFusion)里,民營資本也發揮著重要作用。
在這份報告里,美國擔心如果政府不快點打錢,核聚變領域又將淪為美國引領科學研究,中國贏得規模應用的局面。但這一切似乎也在改變。截至今年9月,提交給IAEA聚變能大會(FEC 2025)的論文第一作者,27%來自中國,是排名第二的美國(15%)與第三(12%)的日本的總和。事實上,在這一領域的科研數量上的超越,已經在2020年前就已經實現。此外,中國培養的核聚變博士畢業生數量是美國的十倍。
與中國的核聚變競爭,最令美國頭疼,還是供應鏈安全。盡管它一定程度上是全新的賽道,但仍然不少關鍵礦物、電子組件、電氣設備等可以微調與復用。就在這幾天,A股多家上市公司披露了公司在核聚變裝置BEST項目的布局。
在關鍵礦物領域,美國的“國產替代”進展實在太慢。中國生產了全球80%的鎢,67%的釩,它們是面向等離子體部件的關鍵候選材料。用于生產氚燃料的鋰-6,只有中國和俄羅斯能夠量產。激光二極管需要鎵、銦和鍺,中國幾乎壟斷了,已經。高溫超導帶材需要少量的重稀土釔,美國94%的進口來自中國,最近也。目前,美國只在鈹與氦等元素上占據主導地位。
在其他組件方面,核聚變某些特種零部件,部分也來自中國供應商。整體上,中國在高功率開關和高壓電容器領域處于領先地位。而美國本土在高溫超導磁體制造領域,日本在高溫超導帶材領域占據優勢。
最后,美國的報告總結陳詞:趕緊打錢,加大補貼,抓緊盟友,利用AI加速……“我們輸不起”。