浩大工程第一步,米哈游投资的核聚变公司点亮等离子体|TECH TUESDAY

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06-18

原理早已清楚,工程充满挑战。

文丨贺乾明

编辑丨黄俊杰

2022 年夏天,数亿元风险资金投向两家中国的核聚变创业公司,我们在科技专栏发文介绍了可控核聚变的技术进展、投融资情况。

两年后,一座核聚变实验装置在上海临港建成,完成初步技术验证。它看上去并不宏伟,主体部分只有 3 米高,周围插满各种管道,用于输送实验用的气体、冷却剂和电等 “原料”。

启动它之前,要花几周时间把空气从装置中抽走,在内部创造出真空环境。然后周围的设施再花几周向真空室外的区域注入液氮和液氦,把它们的温度降低到零下 240 度左右,再给位于其中的超导体注入电流,形成强力的螺旋磁场。维持这样的环境,每个月要花 30 万元电费。

能量奇点建造的核聚变实验装置洪荒 70。

它的主要功能是实验,看造出来的设施能否成功点亮等离子体——气体、液体和固体之外的第四种物质形态——这是实现核聚变的最基础条件。

工程师点击 “开始实验” 按钮后一瞬间,大量电子会沿着螺旋磁场轰击提前注入真空室中的氦气,把它们变成高速旋转的等离子体。同时,周围的装置向等离子体发射与其旋转频率相同的电磁波,把它加热到 500 万度。

整个测试过程只持续了几十毫秒——还没有人眨眼一次的时间长。但为了实现这一瞬间的测试,米哈游、蔚来资本、红杉中国等投资的能量奇点花了 2 年时间、投入近 2 亿元人民币建造了这个命名为洪荒 70 的实验装置。

能量奇点 CEO 杨钊说,这次测试验证了公司的技术路线可行,他们将投入数十亿元研发下一代装置——洪荒 170,在 2027 年建成,实现大于 10 倍的能量增益——即每输入 10 度电的能量,发电 100 度。目前还没有一个可控核聚变装置达到这个目标。

能量奇点的新动向,是诸多可控核聚变多创业公司的进展之一。中国另一家核聚变创业公司星环聚能,也在去年 7 月建成第一代实验装置,并成功运行,正研发下一代装置。

美国的核聚变创业公司更为激进,Helion 计划在 2028 年建成可以发电的核聚变装置,已经与微软签订供电协议;TAE Technologies 宣布要在 2030 年把核聚变商业化 ...... 至少有 4 家公司定下目标,要在 2030 年用核聚变发电。

可控核聚变原理早已清楚,难点是工程

早在造出核裂变原子弹的曼哈顿工程启动前,科学家们已经掌握了核聚变的原理:两个轻原子核(比如氘氚)结合在一起,会释放巨大能量。

第一次人造核聚变在 1952 年完成,第一颗氢弹在太平洋上的比基尼岛上空爆炸,威力相当于投向广岛的原子弹的 500 倍。

轻原子核都携带正电,天然相互排斥。想让两个原子核碰撞、结合,需要合适的条件。首先得把它们变成离子体(液体、固体、气体之外的物质形态),并加热到至少 1 亿摄氏度,这样才能克服斥力、让原子核结合在一起产生核聚变——太阳表面通过核聚变产生能量的区域,温度不过 1500 万摄氏度。

所有的氢弹都是直接引爆原子弹来实现核聚变。但要用核聚变来发电,显然得用更温和的方式加热等离子体。

现在已经有一些装置成功将等离子体加热到 1.5 亿摄氏度以上,但能坚持的时间不长,大多按秒计算。因为等离子体极度不稳定,就像不停翻腾的高温带电气体。反应堆需要将等离子体持续、稳定地压缩在一个有限的空间(Plasma Confinement),才可能让原子核频繁碰撞、持续释放能量。

一位研究了 20 年核聚变的专家说,等离子体 “研究起来就是个无底洞”,会发生许多复杂的物理现象,目前还没有模型可以精确预测等离子体如何运动,只能想办法通过外力压缩它。

持续研究最久、看着最有希望的是列夫·阿尔茨莫维奇等人在 1950 年代末发明的托卡马克(Tokamak)装置,以及美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室研发的惯性约束核聚变(ICF)装置,它们各自代表核聚变中磁性约束和惯性约束路线。

欧洲托卡马克装置 JET 的内部构造。托卡马克(Tokamak)是 “带有电磁线圈的环形真空室”,名字来自环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、 线圈(kotushka)这四个俄语单词的缩写。来源:JET

在托卡马克装置中,原子被送进甜甜圈一样的真空环形通道,微波加热为等离子体。通道的每个方向都被不同形状的磁性线圈包裹。这些线圈通电后形成磁场,将 1 亿摄氏度的等离子体压缩至一定密度、变成高速螺旋。

美国科学家提出的惯性约束核聚变(ICF)装置则是模拟原子弹引发氢弹爆炸的过程:用激光或粒子束等冲击密封在特定空间中的燃料,创造高温和高压环境,从而实现核聚变。

惯性约束核聚变装置部分内部构造。图片来自美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室。

目前人造核聚变持续最久的一次,来自欧洲多个国家联合投资的托卡马克装置 JET,去年底实现了 5.2 秒的核聚变,产生了 69.26 兆焦热量——19.24 度电。而且它消耗的能量,比它产生的能量多——还不具备商业可行性。完成这次试验后不久,JET 便被拆除,这座 1983 年建成的实验装置已经不是继续研究的理想载体。

美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室建造的惯性约束核聚变装置,在 2022 年、2023 年两次核聚变实验中,用更少的能量生产出了更多能量,但他们并没有把启动激光器消耗的能量算进去。而且这个装置产生的能量只有 3.15 兆焦。

如果高温能维持,等离子体按照设想保持高密度,核聚变就能可控地持续发生,一个与现有核电站功率相当、并且几乎没有任何放射性污染风险的超级核电站就诞生了。

政府机构沿着这个方向积极推进核聚变研究,但效率低下。最典型的例子就是超大型托卡马克装置 ITER(国际热核聚变实验反应堆)。整个装置高约 30 米,有十层楼那么高。

这个由苏联和美国政府在 1985 年发起的项目承载着对冷战两方合作的希望,也是核聚变研究至今最有野心的一笔投资。理论上托卡马克装置足够大,就更容易用磁力控制离子体,从而实现效率更高的核聚变。ITER 的目标是把等离子体加热到最高 3 亿摄氏度,维持 500 秒的核聚变实验,每小时用 5 万度电的能量,释放出 50 万度电的能量。届时,可控核聚变距离变成现实近在咫尺。

冷战结束后,俄罗斯财力有限、美国政府也在缩减核聚变研发开支。直到 2006 年中国、欧盟、日本、印度和韩国加入后,ITER 的建设方案才正式敲定。

多国合作可以分担成本,但效率也会显著降低。ITER 预计要到明年才能建成,然后再调试十年,到 2035 年正式运行。

ITER 项目波折几十年,让许多对核聚变抱有希望的人感到疲惫,“距离可控核聚变永远还有 30 年” 的调侃在此期间诞生。

像 SpaceX 一样,先把政府当年做过的事再做一遍

转机在 2021 年。商业公司的核聚变研究有了新进展,私营资本涌入。

当年 6 月,成立 8 年的核聚变创业公司 Helion 宣布把等离子体加热到 1 亿摄氏度,实现了原本只有政府项目才能做到的壮举。5 个月后,OpenAI 的 CEO 山姆·阿尔特曼、PayPal 联合创始人彼得·蒂尔等硅谷名流和风投机构向 Helion 注资 5 亿美元,创下核聚变领域融资纪录,与美国政府给核聚变研究的拨款相当。如果 Helion 能继续突破,他们允诺至少再投 17 亿美元。

同年 11 月底,从麻省理工学院独立出来 3 年的核聚变创业公司 Commonwealth Fusion Systems(CFS)宣布拿到超过 18 亿美元融资,超过之前所有核聚变创业公司融资之和,出钱的是比尔·盖茨、乔治·索罗斯、Google、DFJ、Emerson Collective 等 30 个富人、公司或机构。

投资者们认为 CFS 的突破前所未有。他们与麻省理工学院合作做出了世界上最强的高温超导磁体,可以产生强度超过 20 特斯拉(T)的磁场,强度是 ITER 磁场的 1.5~2 倍。

磁场更强,限制等离子体的能力就强,核聚变效果也会提升。他们的研究,让核聚变发展另一条路径彻底显现出来:建小型的托卡马克装置,也能更有效率地产生能量,不再需要像 ITER 那样,耗费大量材料和时间。这也是能量奇点选定的技术方向。

新的技术进展和两轮大额融资,点燃了核聚变创业热情。根据核聚变工业协会统计,截至 2023 年 6 月,全球 40 多家核聚变创业公司从投资人手中筹集了近 60 亿美元。

借助政府机构过去数十年的研究与新的技术进步和材料,创业公司建设小型的核聚变装置,只需要数亿美元就可以验证技术方向,装置的建设周期也可以缩短到 3~5 年。

“用托卡马克装置实现核聚变已经非常充分,我们不需要做太多的科学验证或研究,只需要聚焦解决工程问题。” 能量奇点 COO 叶雨明说。在这个过程中,成本成了关键。他告诉我们,开始设计第一代装置时,技术积累不多的能量奇点考虑过把部分设计外包给一个参与 ITER 项目的科研机构,但因为对方要价太高转向自己设计。“不管是铜导体还是高温超导,物理原理是一样的。” 设计方案确定之后,他们靠多个核电领域发展多年的供应商造出了第一代装置:

  • 上海电气核电集团为能量奇点生产了洪荒 70 托卡马克主机系统的关键设备:真空室、杜瓦和冷屏。

  • 上海超导为洪荒 70 提供了全部的高性能超导磁体材料。

  • 中国核工业第五建设有限公司帮助能量奇点组装了洪荒 70。

2024 年 1 月,能量奇点组装洪荒 70 场景。

在能量奇点的规划中,建造洪荒 70 只是完成技术方向验证,“用相对短的时间、小的成本去验证技术路线的可行性,规避风险,再研发建造一台投入更大、性能更高的装置。”

大多数商业公司都是这么做的。不同的核聚变创业公司选择了 20 多种不同的方案建造核聚变装置,都依赖过去几十年的研究成果,一步步迭代。

比如 Helion 成立十多年已经把装置迭代到了第七代,2028 年给微软供电的核聚变是他们的第八代设施,目前还在设计中。

“(与微软的合作)是一项有约束力的协议,如果我们造不出来,就会受到经济处罚。”Helion 的 CEO 大卫·柯特利(David Kirtley )说。同一年,Helion 还与 Nucor 达成协议,计划在 2030 年建造一座核聚变反应堆帮它炼钢。

用低成本方案建设此前政府巨额投资建设过的装置,然后再一次次升级迭代,是 SpaceX 在火箭、太空船上验证过的发展路径。差别在于,SpaceX 2002 年成立的时候,政府工程制造的火箭早已将人类送入太空、登上月球,建立了国际空间站。SpaceX 的大部分进展是以更低成本解决 NASA 解决过的问题,以刺激商业应用。而核聚变是大国政府努力半个多世纪也没能突破的难题,商业公司即便追上政府科研的进度,前方依然有难题。

被 AI 驱动,也为了驱动 AI

核聚变商业公司的一部分信心来自 AI 技术进步。

目前的实验已经可以将等离子体加热到 1 亿度,实现可控核聚变。关键在于把核聚变持续下去,让它产生的能量远远大于核聚变过程消耗的能量。

每次核聚变实验,科学家都需要事先凭原则和感觉准备好控制磁体的参数,每秒调整上千次电压,让磁场变化,尽可能避免高温的等离子体碰到真空室内壁,否则只有两种结果:等离子体温度下降,或者装置毁掉。不管怎样,核聚变都不会持续。

AI 可以从历史数据(包括模拟的数据)中学习如何更好地控制等离子体。它学习过程跟 DeepMind 的 AlphaGo 学下围棋类似,先设定好目标——精确控制等离子体,达成后有奖励,否则会有惩罚。在一次次实验中,AI 或许会找到长时间控制等离子体,让核聚变持续下去的办法。

2022 年 2 月,Google DeepMind 的一篇研究论文经过同行评审发布在《自然》杂志上 ,在瑞士等离子中心的托卡马克装置中,经过强化学习训练的 AI 一次可以控制 19 个磁性线圈,每秒释放上万次电压,控制等离子的水平远超经验老到的科学家们。

Google DeepMind 研发的 AI 算法控制等离子体的情况。

之后,用 AI 监测、控制等离子体的研究密集出现。普林斯顿大学今年 3 月发布论文,介绍了一种可以提前 300 毫秒预测等离子体是否会破裂的 AI 算法,辅助科学家实时调整参数,从而延长核聚变反应。

DeepMind 也在持续优化算法。他们去年 7 月发布的一篇论文中介绍了新方法,把训练控制等离子体 AI 算法的时间缩短到 1/3,控制精度提高了 65%。

一位中国核聚变公司创始人说,DeepMind 第一篇论文发布后,他们就着手复现它的人工智能模型,用到自己的项目里。它正在成为核聚变创业公司的标配。

随着大模型变得火热,AI 和核聚变,这两个一同诞生于 1950 年代的技术,也有了更深层的联系。

与传统的算法相比,运转大模型需要消耗更多能源。国际能源署(IEA)在今年初发布的报告中提到,使用一次 Google 搜索消耗的电力大概是 0.3 瓦时(Wh),而使用一次 ChatGPT 会达到 2.9 Wh。他们预计,如果不降低算法功耗,到 2026 年,运行大模型的数据中心消耗的电量可能翻倍增长,一年用电超过 1000 太瓦时(TWh)——大致相当于整个日本的水平。

在整个世界向电动化转型,又希望减少二氧化碳排放的时候,大模型推广让电力消耗增多,给全球电力系统带来了更大压力。亚马逊爱尔兰数据中心因为 GPU 耗电过多,已经在限制用户使用。

一些公司将目光放在了核能上。比如微软已经着手招聘核能专家,希望用小型的核反应堆给数据中心供电。今年 3 月,AWS 购买了一个建在核电站旁边的数据中心。

“未来的 AI 需要能源突破,AI 消耗的电力远远超出人们的预期。” 阿尔特曼今年初说,他认为核聚变才是最根本的解决办法,“它激励我们加大对核聚变的投资。” 他是核聚变公司 Helion 的董事会主席。

“当社会需要核聚变技术的时候,核聚变就能实现。”1950 年代,苏联的核物理科学家列夫·阿尔茨莫维奇(Lev Artsimovich)研究出托卡马克装置后这么说道。现在显然比以往更需要可控核聚变这样奇迹般的技术。

题图:能量奇点建设的核聚变实验装置在运行 18.7 毫秒时点亮等离子体;来源:能量奇点。

修改于:06-19
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