核聚變反應無需燃燒化石燃料，可實現零碳排放，也不產生長壽命的放射性廢物，因此被稱為世界清潔安全的能源之一。此外，核聚變能燃料儲量豐富，海水中含有大量的核聚變燃料氫的同位素氘。由于清潔、安全、資源無限，核聚變或將成為人類解決能源問題的終極方案。

自 20 世紀 50 年代以來，物理學家們一直試圖利用為太陽提供能量的核聚變反應，但直到去年12 月，還沒有任何研究小組能夠從該反應中實現“凈能量增益”。

去年12 月13 日，美國能源部部長和加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家們共同宣布，首次成功在可控核聚變反應中“點火”，即在聚變反應產生的能量大于促發該反應的能量，實現“凈能量增益”。該實驗向目標輸入了2.05 兆焦耳的能量，產生了3.15 兆焦耳的聚變能量輸出，能量增益達到153%。

美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆稱，這項“21 世紀令人印象深刻的科技壯舉之一”為人類提供核聚變商業化的可能性，未來有望成為人類擺脫化石能源的束縛、獲得零排放能源道路的里程碑。

此后，勞倫斯利弗莫爾實驗室進行了一系列測試，但都未能完全實現點火。今年6月時，一次實驗實現了能量的盈虧平衡。

直到7月30日，研究人員才在實驗中再次實現了聚變點火。根據《金融時報》8月6日消息，據三位了解初步結果的人士透露，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室在此次實驗中再次實現了聚變點火，產生了去年比12月更高的能量輸出。

該實驗室證實其激光設施再次實現了能量增益，兩名了解初步結果的人士表示，7 月份實驗的初步數據顯示能量輸出超過 3.5兆焦耳，超過了去年12月的3.15 兆焦耳，這些能量大約足以為家用熨斗供電一個小時。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室發言人表示，研究人員正在對結果進行分析，并將在隨后即將召開的科學會議和同行評審出版物中報告這些結果。

圖說：美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室核聚變點火裝置

來源：路透社

01 什么是核聚變？

核聚變反應與太陽和其他恒星釋放能量的原理相同，因此被科學界稱為“小太陽”，也被喻為能源領域的“圣杯”（holy grail）。具體來說，就是兩個較輕的原子（例如氘和氚）結合成較重的原子核（例如氦）和一個很輕的核（或粒子）的一種核反應形式，在這個過程中會釋放出巨大的能量。

圖說：核聚變如何進行

來源：BBC

氫彈就是一種不可控的核聚變，會產生恐怖的破壞力，想通過核聚變產生人類可用的能源，就必須要實現可控核聚變。目前主要有三種形式的可控核聚變：重力場約束核聚變，激光慣性約束核聚變和磁約束核聚變，其中后兩種形式為主流。

慣性約束聚變（ICF）是實現受控核聚變的途徑之一， 它是通過內爆對熱核燃料進行壓縮， 使其達到高溫高密度，在內爆運動過程中慣性約束下實驗熱核點火和燃燒，從而獲取聚變能的方法。激光聚變是用激光作為驅動源的，因而也成為激光約束聚變。此次，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室宣布取得新突破的國家點火裝置（NIF） 就是其采用“慣性約束路線”制造的，總共耗費35 億美元，是世界上最大的激光器。

圖說：慣性約束聚變

來源：金融時報，中國日報

核聚變的另一個技術路線是磁約束聚變，也稱為“托卡馬克核聚變”。磁約束核聚變，就是用特殊形態的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處于熱核反應狀態的超高溫等離子體約束在有限的體積內，使它受控制地發生大量的原子核聚變反應，釋放出能量。

圖說：磁約束托卡馬克裝置結構示意圖

來源：IAEA，中信證券研究部

該路線的主攻方向之一是采用是托卡馬克（Tokamak）裝置。這是一種環形容器，用磁場形成一個“磁籠”將等離子體束縛住，創造氘、氚實現聚變的環境和超高溫，實現受控核聚變。除了托卡馬克反應堆，仿星器也是一種磁約束裝置，不過仿星器在等離子體的密度與溫度上比托卡馬克相比有不小的差距，所以仿星器在并沒有成為主流。

02 全球研究情況如何？

世界科技領先國家和地區已重視起可控核聚變對人類的戰略意義，均為可控核聚變的研究投入了大量人力物力，也獲得了一系列重要成果。根據國際原子能機構數據，截至2022 年年底，全世界約有130 個國有或私營實驗性聚變裝置，其中90 個正在運行，12個在建，28 個處于計劃中。歐盟、美國、中國在核聚變研究中各有所長，相較而言，托卡馬克技術比“慣性約束聚變”的技術應用更加廣泛。

（1）歐盟：最早攻克大型托卡馬克裝置，領頭開發其它概念的磁約束裝置；

圖說：歐洲聯合環狀反應堆和德國ASDEX-U 裝置360 度示意

來源：EUROfusion，ITER，海通國際

1984 年，由歐洲多國共同合作建造的歐洲聯合環狀反應堆（JointEuropean Torus，JET）宣布建成。根據維基百科，JET 成為當時世界上最大的托卡馬克聚變裝置，目前仍保持聚變能量增益因子（Q 值）的世界紀錄（Q=0.67）。1991年首個包含氚的實驗完成，使 JET 成為世界首個使用 50–50 的氚和氘混合生產燃料運行的反應堆。1997 年性能改良后的 JET 創下了最接近科學盈虧平衡的記錄，達到Q = 0.67。除此之外，歐洲各國都擁有先進的托卡馬克裝置，包括德國的的ASDEXU、意大利的FTU、英國的MAST、法國的WEST 等。

（2）美國：最活躍的核聚變研究國之一，兼顧兩種主流核聚變方式；

1982 年，普林斯頓大學等離子體物理實驗室宣布美國首款托卡馬克聚變試驗反應堆 （TFTR）建成投入使用。TFTR 緊隨JET 取得聚變功率輸出，聚變能量增益因子（Q 值）達0.28。隨后美國通用原子能公司發布尺寸較小、更靈活的DIII-D 裝置，并完成了更多的先進托卡馬克裝置實驗研究。

圖說：美國托卡馬克聚變試驗反應堆（TFTR）和阿爾卡特 C-Mod 裝置

來源：：維基百科，海通國際

2009年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置（NIF）啟用，最初是為了通過模擬爆炸來測試核武器，隨后被用于推進核聚變的研究。2016 年10 月，美國麻省理工學院在阿爾卡特（Alcator）C-Mod Alcator C-Mod創造了磁約束聚變裝置體積平均等離子體壓強的世界紀錄（2.05 個大氣壓），等離子體壓強首次超過了兩個大氣壓，其中等離子體每秒發生300 萬億次聚變反應。2019 年11 月，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的等離子體線性實驗（PLX），結合了磁約束和慣性約束兩種主流核聚變方式的優勢，對制造出核聚變能量，提升其生產效率具備實用價值。

（3）中國：核聚變研究后來居上，研發不斷加速；

中國最先進的托卡馬克裝置為中科院等離子體物理研究所的“東方超環”EAST 和中核工業西南物理研究院的環流器二號HL-2M。“東方超環”EAST于2006 年正式建成，成為我國自行設計研制的國際首個全超導托卡馬克裝置。“東方超環”近年來屢次創造世界紀錄，今年4月12日，其實現了高功率穩定的403 秒穩態長脈沖高約束模等離子體運行，創造了托卡馬克裝置穩態高約束模運行新的世界紀錄。

圖說：中國東方超環East和HL-2M托卡馬克裝置360 度示意

來源：新浪財經，鳳凰新聞，海通國際

HL-2M 現用于核聚變研究，特別是研究從等離子體中提取熱量。根據新華社報道，2022 年10 月21 日我國新一代“人造太陽”HL-2M“托卡馬克”裝置取得突破性進展，等離子體電流突破1 兆安培，距離可控核聚變點火又近了一步，可在此基礎上常規開展前沿科學研究。

圖說：神光二號激光裝置

來源：上海光機所

在激光慣性約束方面，神光二號是我國2002 年成功研制的大型激光裝置，建在中科院上海光機所，由成百臺光學設備集成在一個足球場大小的空間內，可十億分之一秒的超短瞬間內可發射出相當于全球電網電力總和數倍的強大功率，從而釋放出極端壓力和高溫。神光二號核聚變試驗同本次突破的NIF 采用同樣的技術路線，未來有望進一步提高激光能量。

03 資本涌入，可控核聚變商業化加速

核聚變未來最主要的應用場景將是發電，相較于傳統的化石燃料發電廠，核聚變有可能提供幾乎無限的清潔能源，幾乎不產生溫室氣體或有害污染物。而相較于光伏、風電，核聚變發電廠可以連續運行，為電網提供穩定的電力來源。

“凈能量增益”的實現，則從理論上驗證了核聚變商業化的可能性。美國能源部也將首次可控核聚變點火“成功”視為通向聚變商業發電的里程碑式技術突破。

過往核聚變研究主要由國家機構以及多個國家間的合作來主導，但自2021 年始，私人資本加速進入可控核聚變領域，且主要集中在小型商用托卡馬克領域。

圖說：核聚變初創企業的融資輪次及融資金額

來源：騾子科技，民生證券研究院

2021年11 月，OpenAI CEO Sam Altman、PayPal 合創始人Peter Thiel 等硅谷名流和風投機構向Helion 投資了5 億美元。在Helion 融資的一個月后，從麻省理工學院獨立出來的核聚變創業公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）宣布完成了大額融資，這也是到目前為止在可控核聚變領域最大的單筆融資。這筆18 億美元的融資，超過之前所有核聚變創業公司融資之和，甚至超過美國政府當年給核聚變研究的經費撥款。包括比爾蓋茨、索羅斯等在內的明星投資人和老虎環球基金、谷歌的母公司Alphabet、Marc Benioff、DFJ Growth 等一眾巨頭紛紛入局CFS。

在國內，“冷門”的核聚變商業化賽道，也在不知不覺中“熱”起來了。

圖說：星環聚能SUNIST-2球形托卡馬克

來源：千龍網

技術源自清華大學工程物理系核能所聚變團隊的星環聚能在2022年6月完成數億元天使輪融資，該輪融資由順為資本、昆侖資本、紅杉種子基金、險峰長青等多家知名機構聯合完成，資金將用于小型化、商業化、快速迭代的可控聚變能裝置的設計、建設、運行和研發。近日，星環聚能研發的SUNIST-2球形托卡馬克建成并開展了首輪運行，獲得第一等離子體。

圖說：“洪荒70”高溫超導托卡馬克裝置示意圖

來源：能量奇點

同樣成立于2021年的能量奇點，于去年2月完成首輪融資，融資金額近4億元人民幣，由米哈游和蔚來資本共同領投，紅杉中國種子基金和藍馳創投跟投。今年4月28日，能量奇點對外宣布其已完成近4億元Pre-A輪融資，投資方包括ENLIGHTENMENT、米哈游等，本輪融資的資金將主要用于經天磁體和奇門系統研發。

據研究機構統計，商業化聚變領域近年來成立的創業公司數量迅速攀升至近40 家，其中近一半公司在過去5 年間成立。這些初創公司也獲得大量的投資，僅在2022 年一年內就從風投機構獲得了約50 億美元的資金。這意味著，在資本的助推下，這個賽道遍地開花的時代來了。

04 寫在最后

可控核聚變的商業化應用前景美好，但距離實現仍需數十年的持續研究。美國能源部部長表示，核聚變商業化大概率有望縮短到幾十年內實現。但建造可控核聚變發電廠任務艱巨，目前如何降低核聚變的成本，提高能量凈增益倍數是科學與企業界未來實現規模應用的關鍵。

不過好消息是，近期人工智能和超導領域的突破將會對核聚變產業的發展產生重大影響，或將顯著縮短其商業化開發周期。核聚變研究自身涉及復雜的物理過程和海量的數據，人工智能可以用來優化實驗參數、開發更準確的等離子體行為模型。超導技術，則可以解決托卡馬克裝置中電阻和損耗的問題。

蘇聯物理學家、托卡馬克之父列夫·阿齊莫維奇（Lev Artsimovich）曾說過一句至理名言：“當整個社會都需要的時候，聚變就會實現。”一位了解結果的人士表示，美國國家點火裝置（NIF）在取得初步突破“僅八個月”后就取得了改善，這進一步表明進展速度正在加快。

在技術突破和資本助推下，可控核聚變的新時代將加速到來。