再来聊聊让地球“流浪”的关键，重核聚变

“流浪地球2”用一场科幻盛宴展示了未来科技的巨大想象空间，无论是量子计算、数字生命、太空电梯，还是外骨骼装甲和可控核聚变，都带火了背后的硬核科技公司。九合系企业已经引爆全网，向全国展示了外骨骼机器人的力量。

人类在地球表面建造了1.2万台行星发动机，利用“烧石头”产生核聚变，释放巨大能量从而推动地球“流浪”。虽然重核聚变的实现需要大概200年，但是核聚变的商业化却已提上日程。

如今人类实现了核聚变净能量增益，2021年1月，被中国称为“人造太阳”的EAST运行时间首次突破4位数，实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。

2022年，九合投资了可控聚变公司星环聚能。星环聚能是脱胎于清华大学工程物理系核能所聚变团队，技术基础来自于运行了20年的清华大学球形托卡马克探索装置SUNIST。

不同于其他的核反应原理，核聚变不会产生放射性废物，因此核聚变技术能够为人类提供理论上的无限清洁能源，帮助人类摆脱对自然资源与化石燃料的依赖，对社会的可持续发展具有重大意义。

在九合看来，每一次工业革命的本质就是能源革命。过去煤炭和石油能源对人类工业的提升，主要体现在动力上。而在信息技术革命爆发后，由动力延伸至算力，能源革命和工业革命更加相辅相成，算力的绝大提升以及强化学习等机器学习方法的演进都对可控聚变的商业化落地有不小的促进作用。

核聚变作为终极绿色能源，虽然技术整体发展还处于早期阶段，但我们看好星环聚能技术能力，并坚信终极能源对人类发展的巨大贡献。‍‍‍‍‍‍‍‍

01

烧石头原理和可控聚变的价值

人类社会的能量来源包括化石能源、太阳能、风能、潮汐能、生物质能与核能等。按照现代工业社会的消耗量计算，预计未来50–100年间，石油、天然气与煤炭等不可再生资源将被消耗殆尽。

在《流浪地球 2》的设定中，地球在2500年的旅行过程中将消耗大量的能量，包含了行星加速与减速所需要的动能，以及人类在地下空间生存所需的必要能量。

地球开启旅行后，不可再生资源已被人类耗尽，太阳能变的不可取，风能与潮汐能的能量太小，人类唯一可以依赖的能源获取方式便只有核能。

核能的概念主要包含了裂变能与聚变能，裂变能是将较重的元素裂变出多个元素并释放出能量，而聚变能是将两个轻元素结合在一起并释放出能量。

换句话说，核聚变能是将小质量的原子核合成一个较大的原子核同时放出能量,并根据著名的爱因斯坦质能公式E=mc2，在反应过程中将质量的亏损转化为巨大的能量并释放出来，进而获得无限能源。

小说与电影中“烧石头”其实是“硅聚变”，利用岩石作为核聚变的原材料，因为地球上岩石的主要成分都是硅。在现实中聚变反应的发生需要极高的温度和极强的压力，以及反应条件的环境。

氘和氚是目前为止最容易实现的一种聚变反应方式，即氘原子和氚原子通过聚变反应产生一个氦原子核和一个中子，同时释放出能量，这种巨大的能量是聚变最大的吸引力。

不同于氢弹的巨大破坏力，我们所期待的其实是可控的聚变，并希望聚变能够用于造福人类，提供无穷无尽清洁的能源，这也是人类从20世纪50年代开始探索可控聚变的原因。

02

可控聚变的商业基础：四大技术的突破

实现聚变反应需要同时满足三个条件：足够高的温度，足够高的密度，和足够长的能量约束时间。

这三乘积是被称为聚变三乘积，著名的劳逊判据也是根据这三个条件来得到的。按照劳逊判据，只有当聚变三乘积大于5×10^21m-3·s·keV，才可能会产生有效的聚变功率输出，这是从聚变产生能量输出的角度，来衡量聚变反应的条件。

从更实际的角度看，如果要制造一个磁约束聚变反应堆，它的功率可以用另外一个“三乘积”来表示，这个三乘积是约束性能、磁场、反应堆的尺寸三者之积，约束性能越高、磁场越强、体积越大的反应堆，会获得更大的聚变功率。这是适用于各种磁约束实验堆的普适公式。

如果要加快聚变能的推进，应该选择什么样的路线？现在国际国内主流的装置是以正在建设的ITER——这种比较大规模的实验装置为路线，它们主要的思路是通过更大的尺寸来提高聚变堆的功率。

这是一条相对稳妥、不会有太大风险的路线，但是它却非常地昂贵，投资规模是千亿人民币起步。建设周期也比较长，需要10年到20年的时间，另外还需要再运行10年以上，才能基本获取它各方面的性能和特点。所以不仅过程漫长、成本昂贵，而且迭代比较慢。

所以现在大家的关注点在于能不能利用现有的技术突破，加快聚变商业化的过程？近期聚变方面的技术突破主要有以下四个方面。

第一，创新的磁场结构。磁场结构的创新可以获得更好的约束性能，可以更加高效的利用磁场的约束能力，使得聚变堆在更小的体积内就有可能获得相当的聚变功率输出，这个技术突破对应的是提高约束性能这个因子。

第二，高温超导。高温超导体现出的性能远超过传统超导，特别是在临界电流密度、临界磁场，以及耐辐照性能方面，它都有相比于传统低温超导材料不可比拟的优势，有些甚至超过了两三个数量级。这意味着我们可以用更细的导体来携带更高的电流，从而产生更高的磁场，磁场提高以后，从聚变公式可以看出，它可以很剧烈地提高聚变功率，这也让我们可以以更加紧凑的尺寸来获得相当的聚变堆功率。

第三，偏滤器新的进展。现在有很多先进的偏滤器可以把热流分散到相当广的表面积上，使得聚变的热负荷对聚变堆表面的冲击大幅度的减轻，这样整个聚变堆的维护时间可以大大缩减，有效工作时间就可以成倍增加，这可以大大提高聚变堆的经济性。

第四，等离子控制方法的提升，强化学习等等机器学习方法用在了聚变堆的控制上，所以整个聚变堆的控制能力可以明显提升，比原先的运行水平有显著提高，这也是在不改变聚变堆的硬件前提下，提高聚变性能的方式。

这些技术的发展使得小型化的快速迭代的聚变方案成为可能。

03

星环聚能的未来

星环聚能是清华大学工程物理系核能所聚变团队通过成果转化孵化的一家企业，技术基础来自运行了20年的清华大学球形托卡马克探索装置SUNIST。在这个装置上，经过20年的研究，该团队对球形托卡马克等离子体的基本物理特性、磁体电源、等离子体控制以及诊断技术有了非常深刻的认识和体会。

星环聚能采用了创新的技术方案，包括高效简洁的磁重联加热方法，大幅降低系统复杂度的多冲程运行方式，以及高温超导技术加持、具有很高约束性能的强磁场球形托卡马克。

2022年年，星环聚能融资完成了九合创投等机构参与的融资后，开始与清华大学合作研究一个更加大规模的原理验证装置SUNIST-2，将在这个装置上验证磁重联加热的基本原理，开发磁重联加热所需的关键技术。

下一阶段，星环聚能将开始建设自己的第一个技术验证装置——CTRFR-1。在这个装置上，星环聚能将一步验证磁重联加热等离子体到聚变反应温度的可行性，并且开发聚变等离子体相关的技术，以及可能存在的一些聚变中子应用等，验证重复重联方案的科学可行性和工程可行性。

下一步，星环聚能将建设一个准聚变示范堆，希望能够验证聚变堆的完整燃料循环、功率输出、抗中子/热负荷各种材料等。这将是一个全高温超导的可控聚变示范堆。未来，星环聚能将有可能建成商业示范聚变电站，功率大概是百兆瓦量级，功率紧凑、运行简洁。这将是一个效益稳定可观的聚变堆商业示范装置。

虽然聚变技术的整体发展还处于早期阶段，但我们看好星环聚能的独有技术方案，有机会领跑市场，实现商业化。期待聚变能源最终实现人类的能源自由，开启人类文明发展的新纪元。

文字来源：星环聚能CEO陈锐在“WISE2022 新经济之王大会”上题为《终极能源形态和商业化可能》的主题演讲‍‍