“核聚变”一词想必读者并不陌生,在诸多科幻电影里总能看到它的身影,例如《流浪地球》系列里面的行星发动机,利用核聚变技术就可以产生单台150亿吨的推力。核聚变(nuclear fusion)是指质量小的原子,如氘、氚等,在一定条件下(如超高温和高压),发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,从而释放巨大能量,变成能源。简单来说,就是模仿太阳。
与其他能源不同,人们在谈到核聚变时一致表示它是完美的。首先可控核聚变的燃料例如氚可以提取于海水,取之不尽,用之不竭。其次核聚变过程中不会产生温室气体或其他有害的大气排放物。并且核聚变反应能够释放出巨大的能量,据科学家表示核聚变1克燃料释放的能量就相当于8吨石油。最后核聚变反应产生的放射性废料极少,且衰变速度快,这一点与现在我们应用的核裂变完全相反。
与此同时,人们也一致认为核聚变的大规模应用是短期难以实现的。虽然其所需的燃料氘、氚等可以源源不断的来自于海水或者锂中,但是目前的技术仍难以满足大量提取及保存。此外,核聚变的过程也极其苛刻,例如其需要1亿摄氏度以上的高温及磁场也需保持稳定性等,打造“人造太阳”。因此,此前很多人认为或许到2050年人类才能用核聚变发电。
核聚变商业化加快,全球核聚变市场规模已超3000亿美元
然而,近两年随着核聚变技术的不断突破以及政策的大力推动,资本开始对核聚变公司加大注资布局,巨头们欲提前占据这一未来巨大的蓝海市场。
在2021年5月,我国中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造了新的世界纪录,等离子体在1.2亿摄氏度和1.6亿摄氏度下分别运行101秒和20秒。这为人类在核聚变能源发展上提振了信心,因此国际热核聚变实验堆(ITER)计划诞生,多国合作攻坚技术难题。在此背景下,资本巨头开始加大对核聚变公司的投资布局。
例如在2021年,OpenAI首席执行官山姆·阿尔特曼对名为Helion Energy的核聚变初创公司注资3.75亿美元。同年,微软创始人比尔·盖茨投资Commonwealth Fusion Systems以及亚马逊创始人杰夫·贝索斯投资了加拿大的General Fusion。来到2022年,这一势头丝毫不减,例如谷歌和雪佛龙公司宣布共同领投TAE Technologies 2.5亿美元,还有我国的能量奇点和星环聚能也分别融到了数亿元的资金。而2023年全球更是多达30 项核聚变能源 VC 交易。今年,这一趋势有望更胜,仅仅在前三个月,就发生了多个较大融资行为,例如比尔·盖茨投资Type One Energ,星环聚能公布了其完成了数亿人民币的Pre-A轮融资等。
随着核聚变的商业化加快,其市场规模不断扩增。根据Maximize Market Research 统计数据显示,截止2023 年末,全球核聚变市场规模为 3012.5 亿美元,在2030年有望达到 4965.5 亿美元。除此外,大体量的核聚变初创公司数量也在不断增长,据《日本经济新闻》4月3日报道,全球范围内,融资规模超过6600万美元的核聚变企业已达14家。
我国已发布多个政策支持文件,欧美政策以资金预算驱动商业化为主
我国对核聚变将其视为战略新兴产业,在此前中共中央、国务院发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》以及国务院的《2030年前碳达峰行动方案》都明确指出了推进可控核聚变技术研究的重要性。此外,国家发改委、国家能源局在《“十四五”现代能源体系规划》中也强调了对可控核聚变研发的支持。并且在今年1月,七部门联合印发了《关于推动未来产业创新发展的实施意见》,在此文件中明确将核聚变列为未来能源装备体系的重要领域,并为核聚变技术的发展提供了有力的政策支持。在后面的两会期间,核聚变更是被多次提及。
总体上来看我国在核聚变上的政策文件数量是最多的,扶持的力度也是较大的。此外在产业发展上有着集中力量攻坚的特色,例如成立由多家央企、科研院所以及高校等组成的可控核聚变创新联合体,亦或是中核集团组建中国聚变能源有限公司等。同时对外政策上我国也是积极加强合作,制定国际标准。例如核工业西南物理研究院发布的《反应堆技术核聚变反应堆核聚变堆高温承压部件的热气检漏方法》,这是我国首项核聚变领域的国际标准,也是S0发布的首项核聚变领域国际标准。
与我国不同,欧美在政策上更加注重增加资金预算来驱动核聚变的商业化发展。欧盟早在2014年成立了EUROFusion,以扩大聚变能源研究和开发,并提供10亿欧元的预算。并于去年年末,欧洲议会通过了《净零工业法案》,加大对核聚变的支持。而美国方面,通过修订《原子能法案》将核聚变设备定义为粒子加速器,把其纳入新的监管框架,从而简化了核聚变开发的联邦许可程序,降低了核开发商的费用。并且拜登政府在2024财年国防预算申请中,就包含了对核聚变研究的资金支持,并在后续拨款7.9亿美元,虽然没有达到行业认为的10亿美元的预期,但仍是创纪录的。
总体来看,在政策文件的数量与力度上,欧美不及我国。但这也是由于不同的发展路径导致,欧美政策以资金预算驱动商业化为主,并且在核聚变产业发展上更多来源于市场资金的驱动,以美国核聚变创业公司Commonwealth Fusion为例,现在其已经获得了数十亿美元的融资。因此,在政策上我国与欧美走出了不同的风格。
中、美、欧在核聚变技术上各有优势
目前世界上最先进的核聚变实验装置分别是中国的超导托卡马克(EAST)和美国的国家点火装置(NIF)。我国的EAST在2021年创造了等离子体运行101秒的记录后,在去年继续创世界之最,实现等离子体运行400秒以上。此外,在去年8月,我国推出了中国环流三号,这是我国目前设计参数最高、规模最大的核聚变大科学装置,被称为中国的新一代“人造太阳”。能够实现100万安培等离子体电流下的高约束运行模式,这是现阶段世界上同类装置的最高水平。
作为最先进的核聚变实验装置之一,美国的国家点火装置(NIF)与我国的EAST采用的磁约束核聚变方法不同,其采用了惯性约束核聚变的方法,即用激光束将氢等离子体压缩到极高密度。在去年年末,美国利用NIF在可控核聚变实验中首次实现了“净能量增益”,即聚变反应输出的能量大于输入的能量。进一步促进了核聚变作为能源应用的发展。
欧盟在近期也取得了里程碑式的进展。除了去年德国的Wendelstein 7-X 实现破世界纪录的高能量周转外,近期英国的能源技术初创公司First Light Fusion也取得了突破性进展,其通过使用脉冲动力机以电磁方式发射射弹,以弹丸的高速度来压缩含有聚变燃料的目标,进而产生聚变反应所需的高温和高压。如果该项目后续实验成功率稳定,那么对于核聚变技术是创造性的。此前我们提到过在核聚变过程中需要创造1亿度以上的高温,而如果通过First Light Fusion的方式也可达到,这将极大缩短核聚变能源应用进程。
总体来看,今年将是“核聚变”商业化进程加快的一年,随着政策的大力扶持及技术的不断突破,核聚变市场规模有望不断扩张,从而推动可控核聚变行业的快速发展。目前各国力争在2030年达到应用核聚变输电的落地,在此趋势下此前电影里的科幻也终将变成现实。(文章仅代表作者个人观点,不作为投资建议)(本文首发于钛媒体APP,作者|谷硕,编辑|刘洋雪)
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