5月7日，世界著名财经杂志《Fortune》（财富）在官网发文《Nuclear fusion is the tech that could power AI and save the planet—if it ever works》，探讨了核聚变技术的发展前景、挑战及现状。以下是报道内容：
如果Sam Altman预言成真，这将代表着一个新时代的到来。聚变有望提供清洁、廉价、丰富且可靠的能源。可靠的聚变电站没有碳排放，且在选址上没有明显的物理限制，理论上能彻底改变世界。聚变技术有望为能耗巨大的新兴技术提供动力，比如生成式人工智能、加密货币挖掘，甚至是星际旅行，同时也能扭转遏制气候变化的战局。
但如果你觉得他的的预测似曾相识，那是因为他曾有过类似的预测，却未能兑现。2022年，他声称Helion Energy将在2024年前"解决所有设计可大规模生产的聚变发电机所需的问题"。Helion Energy自身也在2021年底宣布将在同一时间表内"展示净能量增益"。但2024年已经过去，这家初创公司尚未传出任何突破性消息。
这种大胆声明与令人失望结果的循环由来已久。核聚变发电的承诺多年来一直是全球科学家、政府和企业的追求目标，同时也有着一段同样漫长、聚变未能如期而至的历史。甚至有个老笑话：在过去的60年来，距离实现核聚变发电始终还有30年。
然而，现在情况或许有所不同。最近的科学突破表明，新的核聚变方法可能有效—越来越多的初创公司声称他们能以更快速度实现该技术的商业化。尽管按照新兴核聚变行业的标准来衡量，Helion Energy承诺的时间表也过于激进，但至少有5-6家公司承诺大约在10年内以具有竞争力的市场价格将核聚变能接入电网。
投资者也注意到了这一点。过去十年间，私营核聚变企业数量增长了三倍，仅过去两年该行业的总投资就超过20亿美元。大部分资金来自硅谷及其他领域的知名机构，包括Peter Thiel的Mithril Capital、Bill Gates的Breakthrough Energy Ventures、孙正义的SoftBank、Kleiner Perkins董事长John Doerr以及Khosla Ventures。
科技风险投资的介入可能意味着核聚变时代已经到来—也可能意味着像Sam Altman这样的知名领导者的认可和背书正在催生一个过度炒作的泡沫。在经历多年挫折后，这些公司是否即将迎来划时代的突破？或者核聚变仍然需要30年时间？
核裂变易，核聚变难
核聚变与现有核电站使用的核裂变有本质区别。在裂变中，一个不稳定的重原子核（如铀）分裂并释放大量能量。裂变无需人为干预即可在地球上自然发生。（甚至在17亿年前的非洲，由于地质力量将足够的铀矿聚集在一起引发链式反应，曾出现过天然的裂变"反应堆"。）
核聚变则不同。当两个轻而稳定的原子核（如氢）被迫融合形成更稳定的原子核（如氦）时就会发生聚变。聚变释放的能量约为裂变的四倍，大约是燃煤的400万倍。
问题在于，这些轻原子核本身是带正电的，这意味着它们相互排斥，而克服这种排斥需要巨大的力量。太阳系中唯一自然发生这种情况的地方是太阳核心，那里太阳质量的巨大引力压力—超过地球的30万倍—氢原子核挤压在一起。
在地球上重现这些条件一直是长期的科学挑战。1930年代，物理学家发现小规模实现核聚变并不困难，但效率低下，产生的能量远低于消耗的能量。1950年代氢弹的发展证明通过人工核聚变获得净能量是可能的—但这是以不可控且极具破坏性的方式实现的。
自那以后，生产可用聚变能的主要方法是一种称为托卡马克（tokamak）的装置：这种环形真空室周围环绕着强大的磁铁，以防止内部的热等离子体（电离气体）接触腔壁。从未有任何托卡马克产生的能量超过其消耗的能量。尽管如此，近70年来，科学家建造了一系列越来越大、越来越强大的托卡马克装置，逐渐接近这一阈值，最终形成了目前正在法国南部建造的宽达100英尺（30米）的国际热核实验反应堆（ITER）。
ITER的最终目标是产生十倍于等离子体吸收的能量，但设备问题导致建设延误，ITER预计要到2034年左右才能完工。虽然ITER确实计划展示核聚变的净功率，但它不会被用来发电—它只是作为开发建造发电厂所需技术的试验场。假设时间表不再延误，基于ITER研究的聚变电厂最早也要到2050年代才能投入运行。
新方法，激进时间表
我们有时在等离子体物理会议上会受到批评。人们说'你们把机器设计得太保守了'。" 美国Commonwealth Fusion Systems（CFS）首席科学官Brandon Sorbom在谈到该公司正在建造的托卡马克SPARC时表示："当然，SPARC凭借其物理基础将会运行。（但）你会希望发电厂非常稳定且可预测。"
CFS是私营核聚变领域最大的公司之一。其领导者预计SPARC将在2026年完工，并确信该装置将能够产生远超其消耗的能量。Brandon Sorbom表示，SPARC"与ITER使用完全相同的物理原理"，但"利用过去25年出现的技术制造出体积小得多的设备"。SPARC直径仅约24英尺（7.3米），建造成本和时间显著降低。
与此同时，其他公司正在尝试更类似于NIF的核聚变方法：对聚变燃料进行剧烈压缩以触发点火。去年最新获得大量资金的初创公司之一的Pacific Fusion宣布，已从谷歌前CEO Eric Schmidt和Patrick Collison、Reid Hoffman等硅谷精英处筹集了9亿美元的初始资金。
与使用激光的NIF不同，Pacific Fusion计划基于桑迪亚国家实验室（SNL）Z机器开创的方法。该设备在不到一微秒的时间内释放巨大电能，让数百万安培电流通过聚变燃料周围的金属圆柱管。该电流产生强磁场压碎金属管，产生足以引发聚变的压力。这种脉冲功率装置从未实现净能量增益，但研究表明这也许是可行的。
尽管Pacific Fusion、CFS和其他公司的物理原理看似合理，但他们的预计时间表却是另一回事。大多数核聚变公司都承诺在大约10年或更短时间内将核聚变能接入商业电网。对许多外部专家来说，这些预测过于乐观。"在我看来，届时任何人要实现电网供电都将非常困难，"密歇根大学核工程教授Ryan McBride表示，"人们不想等待ITER，因此试图通过替代概念缩短时间表，如果其中任何一个成功，那将非常棒......但这尚未得到验证。迄今为止唯一真正证实的核聚变成就是NIF的点火结果。"
尽管NIF取得了成功，但要距离展示任何类似商业可行的核聚变能还有很长的路要走。NIF确实证明了其从核聚变中获得的能量超过了激光器输送到目标的能量—但激光器本身从电网获取的功率大约是传递给靶材的100倍，远超每次聚变脉冲释放的能量。基于NIF的可靠聚变电厂必须解决这个问题，并且必须更频繁地进行激光发射。
发电厂通常产生约500MW的电力，上下浮动两倍。要实现这一目标，基于NIF的发电厂需要持续多年每秒可靠地内爆燃料靶丸。但在NIF首次实现点火后的三年里，它只成功重复了五次。"有时你会听到人们说核聚变背后的科学问题已经解决，剩下的只是工程问题。我不同意这种说法，"NIF首席科学家之一的Tammy Ma表示，"核聚变的科学问题尚未解决......NIF是迄今为止最成功的核聚变实验，但我们并非每次都能实现点火。"
Pacific Fusion面临着类似的挑战—其技术尚未证明能够实现净能量增益，尽管模拟表明这是可能的。即使他们的机器确实产生了净能量，要实现他们当前估计的2030年代初这一里程碑，可能也需要更长时间。"从核聚变实验中我们知道，从开始到获得接近峰值性能的东西需要10到15年，"ITER科学部主任Alberto Loarte表示，"自1960年到2020年，核聚变一直以特定方式运作，明天就发生改变的可能性非常小。" Pacific Fusion、CFS和其他当前核聚变初创公司的时间表中都没有考虑这十年的调试期。
CFS也有自己的问题。其系统是基于ITER设计的，但ITER之所以这么大是有其原因的。用于SPARC和ITER的超导磁体需要保持在非常低的温度，略高于绝对零度。但在托卡马克内部，与冷磁体一墙之隔的是1亿度的等离子体。在空间更有限的SPARC内部，托卡马克内壁的温度预计是ITER的五到六倍。因此，SPARC每次运行时间不能超过30秒—否则热量会压垮其磁体。"如果他们在这种条件下获得聚变能，那么问题是如何延长运行时间，"Alberto Loarte表示，"你可能获得能产生核聚变的等离子体，但无法外推到实用反应堆。"
中子挑战
Pacific Fusion、CFS和几乎所有核聚变公司还面临另一个严重问题。他们使用的氢燃料类型与NIF成功实现核聚变的类型相同：氘氚（DT）混合物。（氘很丰富，但聚变电站最终必须实现氚自持，这是另一个难题）。DT聚变释放的能量中约75%以中子形式存在，这些电中性的亚原子粒子—其能量很难捕获。"在75年的聚变研发中，没有人生产过哪怕一丁点电力。我说的不是净电力，而是任何电力，"等离子体物理学家Daniel Jassby表示，"从来没有人能够将中子轰击转化为电力。"
要解决这个问题，实用的DT聚变电站需要称为"包层"的装置，该装置将吸收中子，将其能量转化为热量，然后将热量从反应堆带走用于驱动涡轮机发电。但从未有人建造过全尺寸包层。CFS、Pacific Fusion和其他公司计划在未来五年左右运行的初始机器（如SPARC）都没有全尺寸的包层—它们只是证明每家公司追求的核聚变形式可以提供超过消耗的能量。这些公司表示他们将在约10年内拥有带包层的反应堆，但建造包层并非简单的技术。虽然提出了几种不同的设计方案，但它们都涉及用特殊冷却系统包围聚变室，通常包含熔融锂盐或铅—所有这些方案都成本高昂且技术难度大。
中子离开反应堆时还会造成其他问题。"中子对材料的损伤非常严重，你不能让这种损伤出现在你必须依赖的材料壁上，"核物理学家Paul Springer表示，"这会破坏材料完整性。材料会变得多孔疏松。"如果材料选择不当，即使是能量增益超过消耗的核聚变反应堆也不会成为可靠的电力来源，因为它需要不断关闭以更换被中子破坏的部件。要解决这个问题，需要多年测试来证明材料能够承受反应堆内部中子的持续照射—而目前尚不存在此类测试设施。
类似的问题还有。对于脉冲功率来说，每秒构造和输送新靶丸是个严重问题；几何结构使托卡马克的维护变得困难；管理氚、创建供应链和培训必要劳动力几乎对每家核聚变公司都是挑战。
冗长的障碍清单使这些初创公司的商业聚变10年时间表显得过于乐观。当我表达怀疑时，这些公司的高管承认挑战的规模令人生畏。但他们解释说，仍预期会成功。“我们的记录向我们证明，在拥有足够资源的情况下，这个时间表是可能的，” Brandon Sorbom在CFS提供的书面声明中说，并提到他的团队为托卡马克磁铁建造第一个原型部件的速度有多快，“从物理或‘第一性原理’来看，没有理由商业核聚变电力不能在10年内实现。” Pacific Fusion总裁兼联合创始人Will Regan通过电子邮件告诉《财富》杂志，他们公司的核聚变技术背后的技术支持更快的时间表：“脉冲技术现在让核聚变更经济、易管理、实用且可扩展。”
与此同时，至少有一家公司作出了比2030年代实现商业化更加雄心勃勃的承诺：Helion Energy。该公司已筹集超过10亿美元，其中超过3.75亿美元来自Sam Altman，其他投资者包括Dustin Moskovitz、Peter Thiel和Softbank。尽管Helion Energy未能在2024年演示核聚变发电，但该公司声称仍有望实现2023年与微软达成的协议，即在2028年前以具有市场竞争力的价格提供核聚变电力。当被问及为何这个时间表比之前的估计更可信时，Helion Energy首席执行官兼联合创始人David Kirtley表示：“我们正在做一件极其复杂、从未有人做过的事。”
这似乎更应成为怀疑其时间表的理由，而非信心来源。但David Kirtley的陈述确实有其真实性：Helion Energy尚未公布其核聚变方法的细节，但已公开的信息表明，该公司的技术并非基于长期研究和测试。该公司不使用DT燃料，并称不需要包层，因为它将直接从等离子体的膨胀中获取电力。Helion Energy表示，其 “系统旨在高效回收等离子体中所有未使用的和新产生的电磁能量”，而无需经过捕获中子的中间步骤。
由于Helion Energy尚未公布该系统的细节，没有专家愿意评论这种设计的可行性。但鉴于更传统的核聚变方法面临的挑战，很难相信他们的技术会按其声称的时间表成功。但好消息是，我们不必等待太久就能知晓答案。
调整预期
尽管存在所有这些困难，商业核聚变能仍可能在未来几十年成为现实。科学和工程挑战巨大，但没有理由认为它们从根本上不可克服。针对许多问题已经提出了良好的解决方案。
不过，几乎所有解决方案都完全停留在理论层面，大多数需要大量研究工作才能建成原型，更不用说商业可行的产品了。NIF的科学家Tammy Ma对此表示："如果我们有足够资金，如果全世界（我指的不只是美国）说'这是生存威胁，我们需要核聚变，需要全力以赴，让我们以曼哈顿计划或阿波罗计划的力度推进'，我确实认为我们可以加速实现电网核聚变能，但考虑到历史资金状况，实际需要的时间将（比10年）更长。"
Tammy Ma还说："我们都为彼此加油。但剩余挑战的规模意味着仍需大量工作和时间来解决。"在此期间，当我们等待聚变电力到来时，存在一种危险，即短期内聚变的空头承诺会被当作万能药来大肆宣扬，用作忽视更快脱碳途径的借口，并以此为理由现在就消耗更多能源。Sam Altman除了对Helion Energy的投资外，还有其他核能投资。他似乎已经在这么做了—他在一月份的采访中表示，“快速批准聚变反应堆” 是在不减缓人工智能公司发展的情况下实现气候目标的最佳方式。
未来的进展也可能被用来推进这一叙事。很可能，甚至可以说很有可能，CFS或Pacific Fusion或其他公司将在未来五到十年内展示聚变净电力。但这距离以具有竞争力的价格将聚变电力接入电网仍有很长很长的路要走。在没有进行更多研究和解决更多科学与工程问题之前，人类无法指望聚变电力能及时出现，将我们从气候变化中拯救出来，即使资金投入远超当前水平—且假设并非如此将十分危险。“有些人希望相信…… 聚变是一种能在下个十年内实际取代其他能源（如核能、热能、煤炭或天然气）的能源，” Alberto Loarte表示。“我认为这不现实。”
“我们互相支持，” Tammy MA说道。“我非常希望这些聚变公司中的任何一家都能实现其五年、十年等目标…… 但话说回来，剩余挑战的规模意味着，要解决这些问题仍需大量的工作和时间。”
参考资料：
- https://fortune.com/2025/05/07/nuclear-fusion-energy-ai-sam-altman-helion-pacific-commonwealth-timelines/