千乘未来观 | AI大基建的供能最优解：可控核聚变

文 | 千乘资本数字能源小组 Esca/Allen

编辑 | Ella

正文字数：12953字

预计阅读时间：20分钟

随着人工智能的飞速发展，其背后的能源需求也日益成为全球关注的焦点。传统能源的供应模式显然难以支撑AI时代所需的庞大计算能力，而这引发了对新型能源解决方案的迫切需求。作为一种未来能源的潜在革命性技术，可控核聚变因其高能量密度、丰富的原料来源和环境友好性等优势，有望成为解决AI超算中心供能问题的最佳选择。

本文深入探讨了可控核聚变技术的发展现状及其在AI基础设施中的应用前景，与大家共同探寻这一前沿领域的巨大投资机会。

本文分为六个部分：

1. AI时代能源需求剧增 市场呼唤核聚变技术

2. 核聚变技术的优势

3. 如何实现“聚变”

4. 磁约束聚变研究

5. 惯性约束聚变研究

6. 可能的未来与投资的选择

图1：黄仁勋在“世界政府峰会”上的演讲

今年年初，英伟达的创始人兼首席执行官黄仁勋在“世界政府峰会”上提出，相对于传统的通用计算，AI的发展需要巨量的能源：“我们需要 14 个不同的行星、3 个不同星系、4 个太阳为这一切提供燃料”。本次讲话是为了指出英伟达在提高AI计算能效方面的贡献，也让人们意识到了AI行业发展所带来的巨大能源需求。

运用星系级的能量显然是短期无法做到的，需要从开源和节流的两个方面进行努力，更好地解决AI的能源问题，推进AI技术的进一步发展。一方面，AI芯片和算法的发展不断降低同等规模下AI的能源需求总量；另一方面，新能源技术的发展不断推高可以供AI使用的能源量。

通过能源与AI的双向奔赴，结合AI应用的阶段性推广，短期内满足AI的能源需求是可以做到的。

图2：数据创新中心统计的各主流大模型的能耗

数据创新中心（Center for Data Innovation）对各主流大模型的规模、训练能耗和碳排放量作了统计。

统计数据不仅展现了AI计算对能源的旺盛需求，也可以明显看到随着AI大模型规模的迅速增长，其能源需求也是迅速增加的。

与其说AI的尽头是能源，不如说人类对美好生活的向往没有尽头，更多的物质、能量和信息是永恒的追求。

根据国际能源署估计，数据中心的用电量占全球电力消耗的1.5%至2%，预计到2030年，这一比例将上升到4%。

根据浪潮与中国信通院发布的《绿色算力白皮书（2023）》预测，到2030年我国数据中心耗电量将达到5900亿千瓦时。银河研究院则预测为1.27万亿千瓦时。

作为参考，三峡工程的设计年发电量是882亿千瓦时。

如果AI技术的发展只是需要更大的能源使用量，在当前的能源体系上进行简单的规模扩张即可，但AI需要集中运用稳定、廉价、可持续的能源，故其能源供给应具备以下特点：

(1)能量密度应较高，满足超大型AI数据中心的能量需求而不需巨大的占地面积；

(2)基于AI行业的规模和增速，其原料需要容易获得，保证长期廉价供应；

(3)数据中心7×24h工作模式要求能源不受日夜、潮汐、阴晴、风力的影响，从而长时间稳定供应；

(4)不同类型的数据中心需要结合应用场景、散热要求来布置，其能源最好也能灵活地布置位置而不受自然地理条件限制；

(5)应该尽可能清洁环保，不造成更大的环境负担。

图3：不同发电形式的特点

我们综合比较各类能源发电模式，相较之下，“可控核聚变”脱颖而出成为了目前最受关注的潜在AI能源解决方案。

图4：OpenAI与微软布局核能

全球最具代表性的AI企业例如OpenAI、微软均已将核能尤其是可控核聚变纳入重要的未来发展方向。

可控核聚变技术可能为AI打开明日能源之门。

核能是一种清洁高效的能源，可以将其分为核裂变、核聚变两种类型。目前，核能发电用的主要是核裂变技术，这种技术还用于原子弹的制造中。与核裂变相比，可控核聚变释放的能量大、原料来源丰富、安全可靠、环境友好。

核聚变的原料主要是氘和氚，其中氘可以由重水（D₂O）制备。与常见的水（H₂O）相比，重水的区别在于其中的氢原子被氘原子替代，在天然的水中含有约0.015%的重水，利用其在沸点、稳定性等方面与普通水的差异可以通过电解、精馏等方法进行逐步提纯。

氚则可以由布设在反应堆内的含锂化合物包层受到高能中子辐照产生。

1GW的火力发电站一年大约需要消耗1000万吨煤，按照目前的业内估算，1GW的聚变反应堆一年却需要消耗约100kg氘，大约对应1吨重水，按照装置在线时间大约80%计算，一年发电7TWh。以2023年全球发电量3万TWh（BP《世界能源展望2024》）计算，需要4300吨重水，按照500万元单价计算，发出全球所需的电能只需要215亿元的重水成本，每度电的氘原料成本小于0.001元。

尽管氘原料只占可控核聚变发电成本中的一小部分，目前也没有成熟的示范项目供我们具体计算建设、维护、包层的成本。以上计算还是给了我们一个积极的期待，那就是在AI时代，可控核聚变作为一种廉价、灵活、安全、功率密度高的能量来源，不仅能支持AI技术的进一步发展，也为推广到全社会带来又一次能源变革做好了准备。

与其他主要不可再生能源相比，聚变的主要原料氘来自天然水体，这个特点使其储量近乎无限，而氚原料对应包层材料所需的锂资源也有着远高于其他化石能源的储量。可控核聚变是一个不仅廉价，而且可持续的能源选项。

图5：主要不可再生能源资源的储量

接下来，我们将从可控核聚变的技术原理开始，分类讨论不同聚变技术路线的发展，并寻找可控核聚变技术投资的方向。

一般来说，核裂变主要关注铀235、钚239，甚至铀238、钍232的裂变，核聚变主要关注氘-氚（D-T）聚变、氘-氘（D-D）聚变、氘-氦3（D-³He）聚变、氢-硼（H-B）聚变。

图6:不同原子的比结合能

将²H(D, 氘)、³H(T, 氚)聚变得到的⁴He和D、T相比，可以看到比结合能的差异非常明显，这是核聚变极高能量密度的来源。相对的，铀235和其裂变产物Ba、Kr之间的比结合能差异就不那么大了。

图7：铀235裂变过程

图8：氘-氚聚变过程

如果将核裂变与核聚变的能量释放进行理论对比，一个铀235原子裂变释放的能量大约为207MeV，一个²H（D，氘）和一个³H（T，氚）原子结合释放的能量大约为17.6MeV。核裂变用47倍的燃料质量释放了11.76倍的能量，每千克燃料释放的能量只有核聚变的四分之一。

图9：氢弹爆炸过程

但即使是最容易发生的D-T聚变，其点火条件也是苛刻的。需要对燃料施加极大的压力和温度，将D、T聚变材料电离并高度挤压在一起。氢弹爆炸依靠的是初级原子弹引爆产生的大量X射线烧蚀聚变次级外层的聚苯乙烯填充材料，对聚变材料瞬间加压加热引起聚变反应。

与氢弹爆炸不同，可控核聚变要求聚变过程能稳定持续地进行，使其释放的能量可以被合理地转换和输出为电能。如果将D、T原子直接对撞，原子外围带负电的电子会互相排斥，阻碍结合，故首先需要将聚变原料电离。等离子体中，D、T原子核带正电，接近的过程中也会互相排斥，因此，我们需要：

1、让D、T原子核相互碰撞的速度足够快，对抗原子核之间的电磁排斥力。微观粒子运动速度的宏观表现就是温度，因此，这要求等离子体温度足够高。

2、高速运动的原子核需要相互接近才能更频繁地碰撞到一起并发生反应。微观粒子间距离的宏观表现就是密度，因此，这要求等离子体密度足够高。

3、瞬间的高温高压如果不能维持，等离子体会迅速结束聚变过程，无法维持反应。因此，需要将等离子体约束在高温高压状态一段时间，即约束时间足够长。

图10：达成核聚变的三个关键参数

关键参数包括等离子体温度T、密度n和约束时间t，各参数的乘积（三乘积）达到一定标准，聚变反应才可以维持。在几种典型材料体系中，D-T的三乘积要求最低，约为：

正如不同种类的柴火烧开水的难度不同，采用不同的聚变原料，需要达到的三乘积指标也有不同。在几种典型的聚变原料体系中，D-T聚变的三乘积要求最低，因此也是最易于点燃聚变反应的原料体系。

图11：不同聚变原料的三乘积条件

 “划一根火柴（聚变点火）”不一定就能烧一锅开水，要走向发电，需要“点燃柴火（能量得失相当）” 、“对外放热（能量净输出）” 、“持续烧开水（聚变持续发电）”。为了点燃聚变反应，需要向等离子体输入能量，对于可控核聚变的期待显然是其释放的能量远大于输入的能量。

实现聚变反应的“烧开水”还需要不断面对“维持开水稳定沸腾（等离子体约束）”、“开水不会破坏水壶（耐中子辐照材料）”、“烧水燃料的不断获取（产氚包层）”等物理难题。D-D聚变可以不需要氚，但其聚变指标要求比D-T聚变更高。D-³He聚变不仅不需要氘，还不会产生大量高能中子，连中子辐照问题都缓解了，只是它的聚变指标要求就更高了，且即使考虑月球的储量，³He资源也是稀缺的。甚至还有H-B聚变，既不需要制备氚、又没有中子辐射、原料资源还丰富，唯一的问题是其聚变参数要求比前述三个技术路线都要更高。故在这里我们不讨论工程难题和燃料选择，只看实现商业化的D-T聚变还有哪些难题，存在哪些可能的技术路线。

图12：氘-氚聚变的劳逊条件、点火条件与能量得失相当条件

因此，可以提出一个重要参数Q（能量增益因子）值，也就是聚变放出的能量与向体系输入的能量之间的比值。当Q=1的时候，意味着放出的能量等于输入的能量，被认为是核聚变产业化的一个重要的里程碑。但考虑到聚变维持和能量传递的过程，一般认为Q=10左右，可以达到聚变对外发电的标准，足以验证可控核聚变发电的技术可行性。商用聚变堆需要更高的Q值以达到商用经济性，有观点认为聚变商用发电需要50以上的Q值。

高温高压下的等离子体会自发地扩散逃逸，须有一定的方法将其限制在聚变反应装置中完成聚变过程。对等离子体进行有效约束使其聚变反应放出的能量超过产生和加热等离子体的过程中消耗和损失的能量，使聚变可以自我维持，不断进行下去。

图13：核聚变的三种约束方式

重力约束不需要输入能量，太阳的万有引力就足够产生巨大的压力将等离子体束缚在太阳的范围内持续发生核聚变，但这显然不是当前人类工程能力可以达到的。

惯性约束则是将等离子体瞬间紧密挤压在一起，达到高温高压的状态发生聚变反应。例如激光惯性约束方案就是对聚变材料靶丸发射高能激光，短时间内输入大量能量使其达到聚变条件从而释放能量。

由于等离子体是带电的，而磁场可以控制等离子体的运动，所以可以用强磁场约束等离子体，使其处在相对稳定的高温高压状态，持续进行核聚变，这种方案称为磁约束。

基于不同的约束方式设计产生了多种聚变技术路线，它们各自经历了数十年的技术发展，形成了几种进度较快的主流技术路线。

图14：不同可控核聚变技术路线的三乘积进展

其中托卡马克、球形托卡马克、仿星器等磁约束方案从可实现的三乘积参数上看，进度相对较快，是相对热门的方向。

除此之外，Z箍缩、磁镜-场反位形、磁惯性压缩、悬浮偶极场等方案得到的结果也在不断进步之中，可能成为实现聚变发现的可行技术方向。

激光惯性约束尽管展示了较高的三乘积参数，但其需要经历相对低效的电能激发激光并进行控制的过程，整体效率不高，更多是用于聚变过程的科研探索，能源应用并非其主要方向。

图15：核聚变创业项目不断涌现

近年来，尤其是2017年之后，全球商业化聚变项目不断涌现，各项目采取的技术路线也是百花齐放，期待尽早实现可控核聚变技术的商业化。

4.1 当前聚变研究的主流方案——托卡马克

在各个技术路线中，托卡马克方案有着最丰富的研发基础，人们对托卡马克方案寄托了聚变商业化的巨大期待，其有可能成为可控核聚变技术路线选择的答案。

托卡马克(Tokamak)的名字来源于俄语环形真空室(toroidalnaya kamera)、磁线圈(magnitnaya katushka)的缩写。世界上首个托卡马克装置 T-1于1958 年底诞生于苏联库尔恰托夫原子能研究所。该方案利用多组结构不算复杂的线圈，通过欧姆放电简洁而高效地实现了启动并加热等离子体、驱动电流并维持等离子体的平衡和约束等关键功能，受到研究人员的广泛欢迎。

图16：托卡马克装置结构示意图

一个典型的托卡马克装置主要包括一个容纳等离子体的环形真空室、一组加热和驱动等离子体的中心螺旋管(Central Solenoid)线圈、一系列约束等离子体运动的环向磁场(Toroidal Field)线圈和一组控制等离子体位置和成型的极向磁场(Poloidal Field)线圈。

图17：托卡马克装置的主要组成

图18：托卡马克装置的启动运行过程

托卡马克装置的运行中，首先需要向环形真空室内注入工作气体，例如D、T气体。在微波等预电离手段的作用下，产生少量离子，然后通过感应或者微波、中性束注入等方式，激发并维持一个强大的环形等离子体电流。这个等离子体电流与外面的线圈电流一起，产生螺旋磁场，将位于其中的等离子体约束住，并使其与外界尽可能地绝热。这样，等离子体才能被感应、中性束、离子回旋共振、电子回旋共振等方式加热到上亿度的高温，以达到发生核聚变的目的。

截面近似D形的环向场线圈中约束着旋转运动的等离子体(plasma)，由碳或钨等耐高温材料组成的第一壁将高温的等离子体与其后的各个功能层隔离开。外面包覆一层锂化合物包层，减少对外层结构的中子辐射危害的同时可以与聚变中释放的高能中子反应生成氚，从而提供原料维持反应，即“氚自持”过程。

图19：中子与锂的反应示意图

外层是电磁线圈，这里尤其指的是环向场（TF）线圈，起到约束等离子体的作用。

图20：托卡马克装置的剖面结构

等离子体和包层中反应产生的热量由一回路介质带往换热器，加热二回路的水形成高温高压水蒸气推动汽轮机发电。

图21：托卡马克装置的能量输出过程

图22：国际热核聚变实验堆（ITER）项目

人们在近几十年里不断提高托卡马克装置的技术指标。随着研究的深入，人们发现提升托卡马克聚变参数的最直接方法就是建造更大的托卡马克装置。因为更大的装置可以安装更大的线圈，更大的线圈意味着更大的电流、更强的磁场、更强的等离子约束能力、更高的技术参数……

托卡马克装置越来越大，仅ITER(国际热核聚变实验堆)就需要消耗800吨超导材料。因此托卡马克装置主要由国家及国际组织主导，例如中国的HL-3、EAST以及国际合作项目ITER。

图23：ITER的结构图

图24：建设中的ITER

大型聚变装置的建设面临巨大的资金投入，但聚变电站的超高能量密度吸引了各大国和国际合作项目，目前技术指标最高的托卡马克项目为国际热核聚变实验堆(ITER)。ITER（国际热核聚变实验堆，International Thermonuclear Experimental Reactor）也是目前正在建设的全球规模最大的实验性托卡马克核聚变项目。ITER 位于法国南部的卡达拉舍，其使命是建造一个规模庞大的核聚变实验装置，旨在验证核聚变技术的可行性并研究聚变能的商业应用潜力。

此外，商业公司Commonwealth Fusion Systems (CFS)的SPARC参数指标接近，未来还会建设规模更大的ARC用于商业发电示范运行。国内有中国科学院等离子体物理研究所的东方超环(EAST)。

图25：EAST的主要结构组成

以及中核集团西南物理研究院的环流3号(HL-3)等装置。

图26：环流3号装置

对于典型的托卡马克结构，反应堆建设成本中的30%为电磁线圈，是项目建设中最大的单项支出。为了达到足够高的场强，单项目消耗的电磁线圈材料往往重达数十至数百吨。

图27：托卡马克装置的成本拆分

中国在当前工作的基础上还在推进下一代可控核聚变装置的进展，等离子所、西南所都在建设下一代装置。等离子所将建设新一代托卡马克装置，并命名为紧凑型核聚变实验装置（BEST），同时为中国聚变工程实验堆（CFETR）计划积累实践经验。

CFETR将基于中国在托卡马克装置的长期积累和ITER项目建设经验实现自主聚变示范堆建设，未来还可能建设PFPP商用发电项目。

图28：中国的托卡马克技术发展路线

目前，由于尺寸放大带来的技术困难和资金需求，多个托卡马克项目预计将出现延迟。

4.2 紧凑型托卡马克装置

人们期待着将托卡马克的建设成本降低，以加速托卡马克技术路线的前进。

由于聚变能量正比于β²(比压，以一定磁场强度获得的等离子体压力)B⁴(磁场强度)V(等离子体积)，所以只要能提高磁场强度1倍，就只需要1/16的体积即约40%的长宽高即可产生近似的聚变能量。这个理论推演告诉我们，只要完成更强磁场的构建，就可以大幅降低托卡马克建设费用，使商业企业有能力参与托卡马克项目建设。

以钇钡铜氧（YBCO）带材为代表的高温超导材料在近几年里突破了各类工程问题，开始迅速放量并降价，人们可以以此建设更紧凑且磁场强度更强的TF线圈来约束托卡马克装置中的等离子体。基于此，紧凑型托卡马克成为了重要的聚变技术方向。

初创公司Commonwealth Fusion Systems (CFS)于2021年完成20T超强磁体的建设，同年完成18亿美元融资，用于其托卡马克实验装置SPARC的构建。

图29：CFS的高温超导TF线圈

图30：CFS建设中的SPARC装置示意图

图31：国内主要可控核聚变项目的融资历程

中国企业能量奇点于2023年完成首轮融资，2024年6月就实现了第一个实验装置洪荒70的等离子体点亮。

图32：能量奇点的洪荒70装置

能量奇点计划在2027年完成下一代装置洪荒170的建设，设计Q值接近10，实现对紧凑型托卡马克技术路线的工程验证。

图33：能量奇点与CFS的装置技术指标比较

图34：能量奇点与CFS建设中的聚变装置指标

图35：能量奇点计划建设的洪荒380装置

再下一步就是在2035年之前完成商用聚变堆洪荒380的建设，洪荒380设计指标包括：

等离子体大半径3.8m，中心场强12T，最大场强29T；

聚变功率1.3GW，发电功率500MW；

计划在2035年前商用，售价不高于四代裂变堆。

4.3 球形托卡马克装置

随着YBCO等高性能高温超导材料的应用，磁体可以承载更高的电流密度，提高磁场强度，缩小磁体体积。随着体积的缩小，需要更改中央螺线管的设计，例如设置导体中心柱来代替螺线结构，使装置形状更接近球形，称作球形托卡马克结构，通过更强的磁场和比压，实现在小体积内完成核聚变的目标。

图36：球形托卡马克装置结构示意图

图37：Tokamak Energy的球形托卡马克装置结构图

目前商业化进展较快的可控核聚变创业企业中，Tokamak Energy、新奥科技、星环聚能等代表性企业均选择了球形托卡马克作为反应堆结构设计方案。相对于动辄百亿以上投入的典型托卡马克装置，和紧凑型托卡马克类似，球形托卡马克装置同样具有所需投资小、项目周期短的优势，但也需要建设更强的磁场。高温超导材料相对成熟之后，强磁场的问题有了解决方案，球形托卡马克装置的建设具备了较高可行性，打开了该条技术路线商业化的窗口。

与紧凑型托卡马克相比，理论上球形托卡马克进一步简化了真空室结构，有更大的降本空间，但传统结构托卡马克的研究经验不一定能完全平行迁移，需要在外部加热方式、等离子行为等方面解决新的问题。

图38：新奥科技的球形聚变实验装置

图39：星环聚能的球形聚变实验装置

4.4 扭转的托卡马克——仿星器装置

托卡马克结构下，等离子体各部分的运动状态不是均匀分布的，截面中各部分的电磁环境不同，受力和运动情况也不同，等离子体倾向于自发扭转甚至破裂。为了尽可能避免等离子体的破裂，延长约束时间，提高技术指标，人们尝试了高约束模式、精细的位形调控、改进加热方式等方法，甚至采用AI预测等离子体的破裂行为，来尽可能地延长约束时间。

图40：托卡马克中等离子体的运动与电磁环境

而仿星器装置采用了另一种思路，既然等离子体的扭转无法阻止，那就按照预先设置好的方式维持等离子体的稳定扭转。不是控制等离子体去适应托卡马克的环形真空室，而是重新设计真空室去适应等离子体。

为了约束扭转的等离子体，人们精确设计了预先扭转的超导磁体和调整等离子体形态的环形线圈，构成了仿星器结构。目前最高性能的仿星器装置为德国马克思-普朗克研究所的Wendelstein 7-X (W7-X)装置。

图41：仿星器装置的结构示意图

可以看出，近似规格下，仿星器装置的设计、建造难度都是更高的。因此尽管W7-X装置取得了成功，但没有看到商业项目在该技术路线上进行探索。

图42：W7-X仿星器的结构

图43：建设中的W7-X仿星器分段

仿星器的结构比托卡马克更加复杂、精密，这长期限制了仿星器技术的发展，随着经验积累和计算机仿真的进步，才有日本JHD、德国W7-X等项目的推进。

图44：“凌云”仿星器的结构

核工业西南物理研究院（585所）早在1971年就在四川乐山建设了“凌云”仿星器装置，结构图下方右侧为注入室和注入器，左方为偏滤器和抽气管道，上方为离子回旋加热。此后由于托卡马克技术路线的迅速发展，其相对较高的技术指标吸引了业界的注意，国内的主要研究方向集中到托卡马克技术路线，仿星器的研究相对受到冷落。

当前等离子所、中科大也在探索集成永磁体、简单线圈、对称结构的先进仿星器构型并取得了一定的突破。等离子体所徐国盛课题组提出了一种标准化永磁体加平面线圈搭建仿星器装置的可行方案。

图45：采用标准化永磁体和平面线圈的轴对称仿星器结构

由西南交通大学、585所、科烨电物理等机构合作推进的中国首台准环对称仿星器测试平台（Chinese First Quasi-axisymmetric Stellarator Test device, 简称CFQS-T）已经完成建设。

图46：西南交大CFQS-T仿星器

4.5 快速迭代中不断前进——磁镜装置

图47：对未来可控核聚变项目发展的预期

当前主要的可控核聚变项目中，观察其各自宣称的商业化进度可以看到美国聚变企业Helion的进度是最快的，其计划于在建项目Polaris装置上实现净电能输出。Helion已经与微软签订合同，约定在2028年底之前以1美分一度电的价格，向微软提供50兆瓦的供电。

与前述方案中将等离子体约束在环形腔体中的做法不同，Helion采用直线型装置，用布置在两端的磁喉将等离子体约束在筒状中心室内作直线运动，这样的结构被称作磁镜结构。

图48：磁镜装置结构示意图

磁镜在工作中将聚变燃料电离，从两端注入燃料等离子体，加速等离子体相互撞击挤压，以此达成足够的温度、压力与约束条件，实现可控核聚变。从结构上看，如同电磁加速器镜像对称放置，可以被形象地称为“磁镜”。

图49：反场位形（FRC）的结构

为了更好地约束从两端注入的等离子体，可以将等离子体自身运动产生的磁场与外部磁场结合，把等离子体约束成一个环形，环形内外侧磁场方向相反，这样的等离子体位形被称作“场反位形（FRC）”。

磁镜主要指的是聚变装置结构，场反位形主要指的是等离子体位形的一种，也有人笼统地将实现这一类技术的装置称作直线型聚变装置。

科研磁镜项目中，俄罗斯的GOL-3串列磁镜装置保持着最优的磁镜三乘积指标。该项目采用多节磁镜串列而成，但磁镜三乘积的平方正比于节数，增加节数的做法并不经济，不是商业项目倾向于采取的方案。

图50：GOL-3多节串列磁镜的结构图

美国的Tri-Alpha Energy（TAE）是全球商业化磁镜的代表项目之一。2023年2月，TAE宣布和日本国家聚变科学研究所完成了磁约束等离子体中氢硼燃料循环的首次测试，这一新燃料循环比传统的氘氚聚变更清洁、更廉价。但H-B聚变要求的三乘积参数比D-T聚变要高近两个数量级，距离商业化发电需要更长的路。

图51：TAE的Copernicus磁镜装置

图52：Helion的Trenta磁镜装置

美国初创企业Helion Energy采用的也是磁镜方案，公司宣布其首个核聚变电站将在2028年部署，微软签订协议向其购买电力。Sam Altman对该项目投资3.75亿美元，是他最大的单笔投资，彼得蒂尔跟投。

图53：中国第一台磁镜装置“小龙”

1958年，国内第一台磁镜聚变研究装置 “小龙”(当时又称“磁笼”)建成。这是我国第一台非台面聚变实验装置，曾成功运行几年。

图54：星能玄光的磁镜装置结构

国内的星能玄光项目是以孙玄教授为核心的团队基于中科大KMAX磁镜装置取得的经验，进行技术升级，建设下一代磁镜实验堆。KMAX装置就是2014年由孙老师主持建设完成的，此后长期负责该研究项目，在磁镜领域不断积累理论和工程经验。

图55：华中科大HFRC装置

另外，瀚海聚能项目计划以4-5亿元的投资建设第一代装置，实现实验室放电，与等离子所、中科大、绵阳九院、华中科大等相关机构多有合作。项目计划2028年以下一代装置实现10MW的功率输出。

图56：托卡马克装置与直线型装置的特点比较

两种技术路线各有千秋。托卡马克路线的核心是可验证性强，目前相对先进的设备普遍有接近Q=1的实验结果，ITER装置也在建设，高温超导更是使低成本建设成为可能。但是高温超导带来的强磁场和高能量密度不一定全是优势，新的工程问题还需要解决。

直线型装置的核心是迭代快，因为成本低，所以建一个装置做验证，然后提高参数直到到达装置极限，再建一个优化的装置进行新的验证。以此循环往复，建设一个托卡马克装置的资金可能可以在直线型装置上完成10-20次迭代。

总的来看，托卡马克的参数曾经遥遥领先，但直线型装置正在快速逼近，两者都有望在近期取得Q=1至Q=10级别的技术指标。

4.6 来自太空的灵感——偶极场装置

天体本身的磁性使其可以类比为一个偶极磁体，其随着自转会在周围形成旋转磁场，如果利用电磁线圈人为创造一个真空中悬浮的偶极场，有望以此维持等离子体的稳定存在，且实验证实该类装置具有较高的比压。同时，悬浮状态稳定反应生成的中性灰分（如He灰）容易排出，不易产生等离子体自发破裂，可以模拟外太空辐射环境，可以维持反物质存在从而使该类装置具有用于航天检测、反物质研究等领域的应用价值。只是目前还没有以发电为目的建设的高指标偶极场聚变装置。

图57：天体表现出的偶极场特性

偶极场技术来源于90年代对天文观测现象的总结，此后经过实验验证和工程化，到21世纪才有小型装置完成建设。

图58：偶极场及其磁场特性

环形偶极磁体的上下左右均有磁感线穿过，如果支撑结构对其有所阻挡，会对等离子体行为造成不可忽视的影响。考虑到磁体具有的磁性，可以通过外加磁场保持其在真空腔体内的悬浮，成为悬浮偶极场装置，获得更稳定的实验条件和更高的参数指标。

2004年美国MIT建成的LDX装置曾用于聚变机理研究，已于2011年停用。

图59：MIT的LDX装置示意图

日本东京大学的RT-1装置早年用于挑战聚变约束指标，近年来转向反物质研究。

图60：东京大学的RT-1装置示意图

图61：已建成的悬浮偶极场装置参数对比

非悬浮的偶极场装置还有美国哥伦比亚大学的CTX用于空间技术、欧洲APEX用于约束正电子做反物研究、哈工大DREX用于航天实验以及北大的PPT装置用于聚变基础机理研究。

除了磁约束方案以外，惯性约束方案也有较长的研究历史，但一直以来以聚变反应科研为主要目的，近年来也出现了一些以发电为目标的惯性约束可控核聚变项目。

5.1 电磁推动的瞬间挤压——Z箍缩装置

垂直方向的大电流可以产生水平环向强磁场，磁场中垂直运动的强大电流将导线瞬间气化，并受到朝向环中心方向的强洛伦兹力作用，带动导线（例如钨丝）向心压缩挤压中心部位的等离子体，高温高压就可能使中心的聚变靶丸达到足够的三乘积实现核聚变。

图62：Z箍缩的原理

这是Z箍缩的技术原理，只要有足够大的瞬时电流，就可以搭建一个简易的Z箍缩装置，用电磁能进行向心压缩。

图63：25美分硬币的Z箍缩实验

图64：“华龙一号”Z箍缩装置

国内有代表性的Z箍缩装置是工程物理研究院的“聚龙一号”。

典型的Z箍缩装置需要瞬间大电流输入，在靶丸设计、钨丝布置、自动化换料等方面提出了较高的工程技术要求。由于靶丸规格和放能频率也不容易做到很高，以Z箍缩装置进行直接发电的尝试往往被认为是不经济的，故Z箍缩装置一般主要用于进行聚变反应过程的科学研究。

彭先觉院士2008年提出Z-FFR混合堆构想，采用Z箍缩方式引发D-T燃料靶丸聚变，聚变放出的高速中子轰击铀238材料制成的次临界裂变包层，引发包层材料核裂变放能，从而对外输出能量。由于包层处于次临界状态，一旦Z箍缩聚变停止，没有新的高能中子轰击包层，核裂变可以自发停止，减少核事故风险。

图65：Z-FFR装置设计方案

Z-FFR装置没有选择直接由Z箍缩聚变发电，而是利用Z箍缩装置压缩D-T靶丸发生聚变释放高能中子，再以中子轰击布置在周围的²³⁸U材料，使²³⁸U裂变放出能量。天然铀中，主要的核裂变燃料²³⁵U仅占约0.7%，99%以上都是原本不易利用的²³⁸U，该方案可以提高铀资源的利用率，同时减少核废料的产生。

美国创业企业Zap Energy是一个有代表性的新型Z箍缩可控核聚变项目。装置顶部的电容器瞬间放电，将中心管中的氘气云等离子化、压缩、推进到末端，氘气云抵达末端时由于外部推进速度更快，呈锥形向内压缩，从而快速产生高温高压条件，实现聚变。

图66：Zap Energy的Z箍缩聚变装置

与托卡马克（ITER）、激光惯性约束（NIF）相比，Zap Energy的装置体积小得多，不需要用到大量超导材料，尽管技术成熟度不高、三乘积指标落后，也以其独特的聚变装置微型化方案成为一条引人注目的可控核聚变实现路径。

图67：Zap Energy对多种聚变装置大小的对比

5.2 锤子砸出的聚变——磁惯性压缩装置

加拿大企业General Fusion采用的是磁惯性压缩方案。在核心反应腔内灌入液态金属（熔融的铅锂合金），驱动核心腔旋转，将液态金属用离心力甩到周围的壁面上，从而在中心形成空腔。此时向空腔注入D-T等离子体，并用电磁力驱动外围的活塞，瞬间高速向内挤压，等离子体瞬间受压产生高温高压环境实现聚变。

图68：General Fusion的磁惯性压缩装置结构

图69：General Fusion早期建设的磁惯性压缩装置

企业早期的装置设计中，外围的电磁驱动活塞呈放射状排列，以尽可能达到各个方向同步向心冲击的效果。目前的设计方案变更为平行布置活塞，在压缩的时候精确控制不同活塞的运动，使越靠上下两端的活塞越早启动，越靠中间的活塞越晚启动，在中心腔处近似地达成同步向心冲击的效果。

图70：当前General Fusion的磁惯性压缩装置设计方案

图71：磁惯性压缩装置结构示意图

5.3 将光能聚焦于一点——激光惯性约束装置

图72：激光惯性约束聚变的点火过程

高能激光可以将聚变燃料靶丸瞬间加热到高温高压状态，借此有望实现可控核聚变，这种方案称作激光惯性约束。

首先由靶丸表面吸收激光束能量,在靶丸表面形成等离子烧蚀蚀层；靶丸表面物质向外喷射,同时产生反作用力,使燃料向心压缩；通过向心聚爆过程,燃料达到高温高密度状态；燃料发生聚变反应，最终向外释放出巨大能量。

图73：激光惯性约束聚变靶丸

无论是金质聚变空腔还是铍涂层聚变靶丸，都是很小的结构，这就是一次激光惯性约束的脉冲所点燃的燃料。

图74：美国国家点火装置NIF的结构示意图

但用来点燃它的“火柴”却非常巨大，以“国家点火装置”NIF为例，需要以192束高功率激光在3纳秒内输出1.8MJ，激光的产生、同步、照射、反应需要在专门建设的巨大实验室内完成。

常常被提到的NIF装置实现能量净输出指的是在NIF的实验中已经实现了聚变释放的能量超过最终照射上去的激光能量，但为了产生和同步这些高能激光束所消耗的电能超出最终激光能量几个数量级。

中国于2015年建成的神光三号装置是仅次于NIF的全球第二大激光惯性约束核聚变研究装置。

图75：中国神光三号激光惯性约束核聚变装置

图76：神光三号与NIF的参数对比

AI时代带来的不仅仅是更大的AI能耗，人们对新技术改善生活的需求，归根结底是对物质、能量、信息的需求。

对AI来说，信息技术的发展可以提高利用能量的效率，能源技术的发展可以带来更多的可利用能源，开源和节流的双向奔赴不排斥任何一方的发展。

由此引发的两大投资方向包括——AI：人工智能软硬件、人工智能基础设施、人工智能的应用场景等；新能源：发电侧关注新兴清洁能源发电技术及其相关上游设备、材料、工艺，储能侧关注新兴储能技术及其设备、材料体系与应用场景。

人类对美好生活的追求会一直存在，这样的机会也会一直存在。

核聚变的基础研究必然伴随核裂变、热核武器、电力系统、放射材料的长期积累，只有核大国才能独立研究并实现商业化。中国在这个领域是具有优势的，585所、等离子所、绵阳九院、中科大、中核集团、中广核等一系列研究机构与相关企业提供了成熟而庞大的人才团队。

基于未来能源的巨大市场规模，在可控核聚变的材料、工程、器件、设备与运营等各个环节均有望走出成功的商业化项目。但可控核聚变技术的成熟度不高，在当前的摸索阶段，还很难存在较大的行业共识，每个创业团队都需要自行建立一套完整可验证的知识与技能体系，这个过程没有长期的相关专业经验和工程实践积累是无法完成的。

尽管该行业还没有走到“把东西卖给谁”的阶段，但市场能力也是重要的加分项。在这个阶段，它体现为了解技术路线的优劣势和对用户使用场景的匹配度，从而能针对性的优化技术方案，选择合适的阶段性商业模式和终极商业模式，并匹配合适的企业发展战略。

可控核聚变以当前各方进度来看，真正走向商业化可能还需要15年，这对团队稳定性和应变能力的考验高于常规的商业创业项目，团队中核心成员的既往经历、共事方式、调整能力需要被仔细地纳入考察范围。

参考资料：

1、NVIDIA英伟达博客 https://blogs.nvidia.cn

2、Center for Data Innovation

3、科创板日报

4、《Tokamaks》John Wessen

5、https://phys.libretexts.org/Bookshelves/University_Physics/

6、中科院物理所公众号

7、虎嗅网

8、《不列颠百科全书》

9、《超导磁体技术与磁约束核聚变》

10、维基百科-劳逊判据 https://en.wikipedia.org/wiki/Lawson_criterion

11、国际核能产业创新博览会

12、<Progress toward fusion energy breakeven and gain as measured against the Lawson criterion>

13、Fusion Industry Reports - Fusion Industry Association

14、《自然》杂志The Chase for Fusion Energy

15、《21世纪能源金属——锂的应用领域与前景研究》

16、星环聚能公众号

17、《我国磁约束核聚变能源的发展路径、国际合作与未来展望》

18、中国国际核聚变能源计划执行中心 https://iterchina.cn/

19、https://www.iter.org/

20、中国科学院等离子体物理研究所

21、中国工程院院刊公众号

22、Commonwealth Fusion Systems  https://cfs.energy/

23、华福证券研究所

24、能量奇点 https://energysingularity.cn/

25、Tokamak Energy https://tokamakenergy.com/

26、新奥科技 http://www.ennresearch.com/

27、星环聚能 https://startorus.cn/

28、马克斯-普朗克研究所

29、中国核技术网

30、西南交通大学 https://phys.swjtu.edu.cn/info/1014/16660.htm

31、<Status and Prospects of GOL-3 Multiple Mirror Trap>

32、TAE Technologies https://tae.com/

33、Helion Energy https://www.helionenergy.com/

34、中国科学院

35、东华理工大学

36、https://zhuanlan.zhihu.com/p/691837601

37、中国工程物理研究院

38、Zap Energy https://www.zapenergy.com/

39、General Fusion https://generalfusion.com/

40、安东聚变

41、国家点火装置National Ignition Facility（NIF）

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