劳森判据(人类终极能源的决赛前夜，我们该如何把握投资机会？)

编者按：本文作者「险峰创」。36氪经授权编辑发布，文内观点不代表媒体立场。

科技圈里一直有个著名笑话，说你在任何时间去问科学家，可控核聚变啥时候能实现？

得到回答永远都是：“还有30年”。

这个段子与其说是调侃，不如说是遗憾。

科学的进步总有曲折，但似乎还没有一个行业可以像可控核聚变一样，在带给我们如此多的希望与失望，历经半个多世纪的“跳票”之后，还能依然被津津乐道。

它之所以承载人类如此之多的美好想象，在于可控核聚变具有储量几乎无限、清洁零碳等诸多优点，也被视为解决一切能源问题的“终极方案”。

尽管距离实用尚有距离，但在业内人士的眼中，近年来可控核聚变技术不仅没有停滞，反而一直在取得令人欣喜的进展，甚至可以说是进展神速。

举个国家队的例子：

2018年，中国“人造太阳”EAST首次实现1亿度电子温度，达到了核聚变反应的目标温度。

2020年，EAST在1亿度下成功运行20秒；

2021年，EAST实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒持续运行，将时间延长了5倍，同时创造新的世界纪录。

在险峰看来，可控核聚变在科学上已经完成了最艰难的从0到1突破，我们其实已经站在了通往终极能源变革的前夜：

作为人类未来的终极能源，「可控核聚变」属于典型的“成功收益远大于失败损失”，天然适合风险资本参与。

过去10年，随着高温超导材料和反应堆外形结构的进步，可控聚变最困难的阶段已经过去，商业化的确定性大幅增加。

近年来聚变装置紧凑化、小型化的发展趋势，为商业资本的进入提供了可能。特别是2020年以来，全球商业资本对可控核聚变的投资正在肉眼可见的提速，预示着这场终极能源之战或许即将进入决赛圈，中国科技创业者们注定不该、也不能缺席。

在本篇里，我们将通过可控核聚变发展过程中的底层技术和关键突破，尝试探讨这个赛道的机遇、挑战与投资机会。也希望大家继续关注险峰，与我们一起持续学习。

核聚变：人类能源的终极解决方案？

一切的开始，始于一位叫做爱因斯坦的瑞士专利局职员，某天摸鱼时在办公桌上写下的那个著名公式：E=MC²

这大概是整个20世纪科学史上最牛逼的降维打击——要知道在当时，物理学家们都是在牛顿的能量守恒体系里卷来卷去，但是爱因斯坦走过来告诉所有人：

别瞎想了，能量就是质量，质量就是能量，都是一回事。

如此惊世骇俗“四两拨千斤”的原理，不仅震惊了学术圈，也让世界各国立刻察觉到了巨大的机会。

因为E=MC²里的C代表「光速」，写出来是300000000。换句话说，爱因斯坦预言了这样一个事实：物质任何微小质量的损失，都会释放出极其巨大的能量。

而人类迫不及待地想要得到这些能量。

于是，围绕着如何让质量发生损失，学界也自然而然分成了两派。

一派的想法是，可以把一个大原子分裂成两个小原子，这就是所谓的「核裂变」；于是广岛原子弹一声巨响，人类从此进入了核子时代。

而另一派的想法，是把两个小原子压缩成一个大原子，即所谓的「核聚变」；1933年，英国人使用粒子加速器轰击氢的同位素氘，初次验证了核聚变的可行性。

深受鼓舞的科学家们再接再厉，最终在1952年成功实现了核聚变的首次“大规模应用”——引爆了世界上第一颗氢弹。

胜利的曙光似乎正在向人类招手。

事实上，当时人们的乐观情绪也不无道理，因为与核裂变相比，核聚变有3个显而易见的巨大好处：

首先是「效率极高」。核聚变是地球上已知可以产生出的最高能量，高出核裂变几个数量级。比如100公斤核聚变燃料产生的能量，大约抵得上5吨核裂变燃料或者35万吨煤。

第二是「原材料几乎无限供应」。地球表面70%是海洋，海水里的氘作为聚变燃料，足够全人类用上几十亿年。

第三是「安全环保」。公众之所以“谈核色变”，是因为铀、钚这类重原子在自然环境下会衰变，释放出能量和放射性物质，需要人为控制反应速度。

换句话说，核裂变反应是“开始很容易，但停下来很难”，稍不注意就会酿成切尔诺贝利那样的重大事故；而核聚变正好相反，是“开始很难，但停下来很容易”，任何一个条件达不到，聚变反应都不会发生。

此外，核聚变跟太阳的原理相同，因此几乎没有污染，也没有任何碳排放，可以从根本上解决人类的能源问题。

“可控”两个字有多难？

理想很丰满，但现实很骨感。人类70年前就点亮了核聚变的科技树，但直到今天，“可控”两个字依然还没实现。

之所以会如此困难，是两个小原子要想碰撞出一个大原子，必须同时满足三个条件：

温度足够高（模拟出类似太阳内部的环境，让原子达到等离子状态）

密度足够大（这样才能撞到一起）

持续时间足够长（碰撞的次数足够多）

这三大要素合在一起，称为「劳森判据」，缺一不可。

于是第一道难题来了——到哪去找一个这样的容器，能装下这些高温等离子，且自身不会“融化”？

最后还是苏联人想出了解决方法：用磁场。于是，一个类似于甜甜圈的「托卡马克」（Tokamak）装置被发明了出来。

（图表：托卡马克装置示意图）

它的原理也很简单：先给电磁铁通电，让炙热的氘氚离子流悬浮在空中，然后沿着中间的圆环“绕圈圈”。

这就像一台巨大的“洗衣机”——高温离子在一个虚拟的“滚筒”里旋转，互相碰撞并引发聚变反应。

从这个角度来说，托卡马克装置对人类最大的贡献，是把核聚变这个「物理学问题」变成了一个「工程问题」。

从此，「劳森判据」也被转化成了三个非常具体的指标：约束性、磁场强度和装置尺寸。

理论上，后来者们只需要不断改进材料、结构和工艺，努力提升这三个指标的性能即可。

Why Now：底层技术有哪些进展？

相比于另外两个指标，增加尺寸总是最为简单粗暴的办法，这也是为什么早期核聚变装置都做得很大的缘故。

但由此带来的问题就是成本过高。

比如，位于法国、今天世界上最大的核聚变反应堆ITER，高30米，占地面积180公顷，从2006年开始建设，到现在已经花费了240亿美元，依然还没有完工。

动辄千亿的资金投入和数十年的建设周期，显然不利于技术的快速迭代和商业化运营。于是近年来，大家破题的思路又重新回到了提升「约束性」和「磁场强度」上。

事实上，无论是给电磁铁通电，还是把原子加热到离子状态，本身都需要耗费巨大的能量。一座反应堆只有实现"输出的能量输入的能量"才具有经济意义，而这两者的比值被称为「Q值」。

遗憾的是，目前业内的最好成绩来自英国的JET，Q值也仅为0.67。

换句话说，直到今天，也没有任何国家或团队真正实现了聚变能量的「正输出」（即Q1）；这也是多年来，可控核聚变被舆论诟病的主要槽点之一。

不过按这个逻辑反推——要想实现聚变能源商业化其实也很简单，只需要把两块成本降下来：一是磁场，二是加热。

幸运的是，在科学家们的努力下，目前这两大领域都已经取得了不小的进展，其中最有代表性的是2010年前后，「高温超导技术」的突破。

早期反应堆的磁场效率很低，一个重要原因是当时的磁线圈都是铜制的。为了保证电流密度和磁场强度，就必须缠得特别粗，结果就是非常占空间，而且大部分能量都被转化成热能浪费掉了，长时间运行甚至会烧毁线圈。

但是近几年，随着以YBCO为代表的新材料不断应用，新一代聚变装置普遍开始换装更先进的高温超导线圈；这些线圈的电阻为0，电流通过几无损耗，从而极大改善了Q值。

另一方面，超导材料也促进了托卡马克「外形结构」的改进。

过去可控核聚变的研究进展之所如此缓慢，和托卡马克本身的设计不无关系。

“甜甜圈”结构虽然经典，但运行起来却非常难以控制，因为磁场和离子流的轮廓都是极其不规则的——越靠近外部边缘，约束能力也越弱。

因此，如果单从「约束性」上考虑，「球型托卡马克」其实要远高于传统的托卡马克设计。

（图表：球形托卡马克比环形的约束性更好；资料来源：星环聚能）

然而球形设计的最大问题，是「中心柱」的空间实在太小了，无法容纳线圈和中子屏蔽层，因此过去多年都是被业界束之高阁，直到2010年后，超导材料技术改变了游戏规则。

试验表明，高温超导材料在25T磁场下，临界电流密度依然非常很可观——这意味着在同等磁场强度下，超导线圈的体积可以做得很小，小到可以塞进中间柱里。

换句话说，采用超导材料 球形设计的聚变反应堆，理论上只需要很少的能量，就可以实现比过去更好的约束性能，这就为Q值的进一步提升提供了空间。

目前在这一领域，跑得最快的是一家英国科技公司Tokamak Energy（托卡马克能源公司）。

早在2017年，Tokamak Energy就建成了全球第一座球形托卡马克反应堆，并且在今年实现了1亿摄氏度的反应温度阈值（即太阳中心温度），开创了私人资本资助的核聚变研究的里程碑，而整个项目的总花费只有5000万英镑。

我们是否已经站在通往终极能源的前夜？

按照聚变工业协会 (FIA) 和英国原子能管理局2021年发布的报告，目前全球已经有30多家从事聚变技术的私营科技公司；其中，18家已公开融资信息的企业共计获得了超过24亿美元的投资，且几乎全部来自商业资本。

不过，这个数据可能已经落后于资本市场的真实反应。因为就在报告发布的不久之后，美国核聚变初创公司CFS（Commonwealth Fusion Systems）就宣完成了B轮18亿美元的大额融资。

这是迄今为止核聚变领域最大的单笔融资，投资方来自比尔盖茨、索罗斯、老虎环球基金、谷歌的母公司Alphabet、Marc Benioff、DFJ Growth等一众金融巨头。

（图表：CFS融资历程；资料来源：鲸准）

要知道CFS仅仅成立于2017年，前身是一个脱胎于麻省理工学院的学生项目——当时几位MIT学生受到钢铁侠胸前动力核心的启发，于是想到要制造出一款最小化的核聚变产品。

作为物理学的最高殿堂之一，麻省理工在磁约束方面一直具有很强的技术积累，经过几年的研究，CFS顺利借助高温超导技术，成功将聚变反应的磁场强度提高了几十倍。

2021年9月，CFS的研究团队通过对一块10吨重的D型磁铁缓慢充电，成功实现了20特斯拉（T）的磁场强度。

还记得前面那个「劳森判据」吗？产生核聚变的三要素：约束性能、磁场强度和尺寸——这三者可以近似地理解为相乘关系。

比如同样的输出功率下，磁场强度每增加1倍，对离子流体积的要求就可以减少16倍。

换句话说，磁场强度和约束性的提升，意味着新一代反应堆可以做得更小，或者温度不需要那么高（1亿度即可）。

总之无论哪一点，都意味着反应堆造价的指数级下降，这就为商业资本的进入提供了空间。

比如，著名科学期刊《自然》杂志就在2021年11月发表了一篇长文，叫《核聚变能源或指日可待》，讲的是目前全球30多家科技企业正开展激烈的竞争——看谁能成为历史上第一家实现可控核聚变商业化的公司。

此外，今年《麻省理工科技评论》选出的“2022全球十大突破性技术”中，「实用型聚变反应堆」也和「电网储能电池」「碳捕工厂」一道上榜——对于该技术的“可实现时间”，文章给出的判断是10年以内。

2020-2022全球可控核聚变科技公司融资情况

（图表：2020年以来，风险资本对可控核聚变的投资明显提速；资料来源：公开资料，险峰整理）

因此，尽管那个“还有30年”的老梗依然存在，但2020年以来，风险资本对可控核聚变的投资确实正在肉眼可见的提速。比如CFS背后站着的是比尔盖茨和索罗斯，而去年刚刚完成E轮融资的General Fusion，大金主则是亚马逊的贝索斯。

总而言之，老钱们正在争相拿出比过去多得多的真金白银，来争夺这张“人类未来终极能源”的入场券，而背后的逻辑也很简单，就是“成功的收益远远大于失败的损失”。

可控核聚变对于人类的意义，基本可以等同于火对于原始人的意义（甚至更高）。

因为一旦成功，意味着人类从此获得了几乎无限的清洁能源——粮食、水以及一切以能源为载体的工业品价格将下降到可以忽略不计。

此外，传统化石能源无法支持远距离星际旅行，而掌握可控核聚变的人类才有可能飞出太阳系成为星际文明，真正摆脱内卷和存量博弈的陷阱。

不夸张地说，到那时整个人类文明都会出现一次巨大升级。

面对这场决定命运的终极竞赛，中国的创业者们自然不会缺席，险峰也在今年投资了一家中国商业聚变能科技公司「星环聚能」，其技术源自在球形托卡马克领域拥有20年经验的清华大学工程物理系核能所聚变团队。

目前公司4000㎡的一期实验基地已于6月破土动工。改造完成后，第一代重复重联球形托卡马克（0号装置）也将开始组装并点亮；未来通过重复脉冲运行，最终型号的理想Q值有望达到6以上。

总之，全球资本对于可控核聚变的这场“用脚投票”，似乎已经印证了一场能源革命奇点的临近，不过历史的诡异也恰好在于，只有回看时才会发现我们身在历史之中——就像此前电动汽车和商业航天一样。

或许多年之后，我们才会意识到，在2022年的那个夏天里，“中国商业核聚变元年”已经悄然到来。

本文来自微信公众号“险峰创”（ID:xianfengk2vc），作者：险峰创，36氪经授权发布。