安雨康?凌宵鵬

核聚變是將兩種氫同位素——通常是氘（音“刀”）和氚（音“川”）——加熱到極高溫度，使原子核熔合，釋放出氦和以中子形式存在的大量能量的過程。理論上，幾克反應物就可產生一太（即一萬億）焦耳的能量，這相當于發(fā)達國家一個人在60年內所需的能量總和。氘氚聚變不同于鈾钚裂變，主要產物為惰性氣體氦，不產生溫室氣體以及其他污染物質，完全不生成放射性產物，不會對大氣和環(huán)境造成污染，因此可控核聚變被公認是解決能源及環(huán)境問題的終極路徑之一。

何為可控核聚變

聚變反應發(fā)生在等離子體的物質狀態(tài)中，等離子體是由正離子和自由移動的電子組成的熱帶電氣體，其性質極其不穩(wěn)定。為在高溫、高壓下實現(xiàn)對等離子體的“可控約束”，核聚變發(fā)展出了磁約束和慣性約束兩種主要路徑：前者主要依靠環(huán)形磁場維持等離子體的穩(wěn)定，如托卡馬克（EAST）、仿星器等構型，被公認為是最接近實現(xiàn)商業(yè)發(fā)電的技術路線；后者依靠激光等高能射線，對聚變靶丸進行燒蝕，通過高溫、高壓壓縮引發(fā)聚變反應。理想情況下，聚變過程放出的能量能使剩余燃料發(fā)生燃燒，即實現(xiàn)“點火”。2022年12月以來，美國勞倫斯·利弗莫爾實驗室的國家點火裝置（NIF）在慣性約束聚變實驗中先后四次實現(xiàn)輸出能量大于輸入能量的凈能量增益（聚變增益系數(shù)Q值大于1），取得歷史性突破。

實現(xiàn)聚變反應所需的關鍵技術，對磁約束聚變而言是加熱、約束（實現(xiàn)聚變）和維持（長時間或平均長時間的聚變反應），對慣性約束聚變而言是壓縮、點火和高重復頻率點火（激光器、黑腔等裝置難以承受長時間高溫高壓）。雖然美國國家點火裝置在壓縮、點火、凈能力增益等領域取得歷史性突破，但“激光聚變”本身并不是合適的商業(yè)化路徑。因為，慣性約束聚變需要激光具有極高的能量，但激光系統(tǒng)本身的能量效率極低，99%以上的能量在到達聚變靶丸之前就損失殆盡，這使聚變反應的“能量產出”遠遠無法彌補“能量投入”。以美國國家點火裝置為例，有報道稱其激光器的能量轉換效率為0.5%，這意味著在2022年12月的實驗中，可能使用了400兆焦的電能產生2.05兆焦的激光，再產生3.15兆焦的聚變能量。除了激光器本身的能量轉換效率有限外，最麻煩的是，激光器與聚變靶丸（在一個黑腔結構內）相距不遠，聚變能量輸出過大會損害激光系統(tǒng)，激光器的成本可能是聚變所產生電力價值的幾億倍。為此，國家點火裝置為聚變能量輸出設定了上限。勞倫斯·利弗莫爾實驗室已明確表示不考慮核聚變的商業(yè)化轉型，將繼續(xù)專注于原理研究。

插上人工智能的翅膀

長期以來，磁約束核聚變的發(fā)展，受制于高功率等離子體難以控制、高溫超導材料等工程和技術難題。近年來，在機器學習和人工智能助力下，磁約束核聚變技術不斷取得新進展。在機器學習的幫助下，研究人員在高維數(shù)據(jù)中尋求最優(yōu)解的能力不斷提升，甚至借助人工智能提前干預極端復雜的等離子體運行。2022年以來，谷歌公司旗下的DeepMind與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院等離子體中心聯(lián)合，開發(fā)了一個人工智能學習系統(tǒng)，在瑞士的托克馬克裝置上多次試驗，成功控制磁線圈兩秒鐘，這是反應堆過熱前的最長運行時間。2024年2月，普林斯頓等離子體物理實驗室的研究人員在《自然》雜志上發(fā)表論文，宣布其使用美國聚變設施的實驗數(shù)據(jù)，訓練了一個可以預測等離子體不穩(wěn)定性的人工智能模型，實現(xiàn)了對等離子體的超前干預。隨著人工智能在等離子體穩(wěn)定運行、高溫超導技術、精密設計和加工制造等領域的應用，在更小裝置中穩(wěn)定約束等離子體成為可能，從而降低了核聚變裝置的成本、時間和組織復雜性，帶動更多高校、研究機構和私人資本入局。例如，人工智能可以對新型高溫超導材料（如REBCO磁體）進行重新設計，縮短工程研發(fā)和設計周期，也在激光系統(tǒng)優(yōu)化設計、光束控制以及特性表征等方面都取得良好效果。

人工智能的長期發(fā)展與可控核聚變等能源突破密切相關。人工智能是高耗能產業(yè)，高端芯片制造（如光刻機）、大模型訓練等都需要消耗大量電力并產生大量碳排放，數(shù)據(jù)中心、超級算力中心更是堪稱“吞電怪獸”。據(jù)測算，培養(yǎng)一個像ChatGPT這樣的大模型需要至少300噸二氧化碳。由人工智能驅動的搜索所消耗的能源是傳統(tǒng)網絡搜索的四到五倍。美國《大眾科學》認為，訓練人工智能模型所需的大量數(shù)據(jù)會將大幅增加全球數(shù)據(jù)服務器碳排放，目前該行業(yè)已占全球溫室氣體排放量的2%～3%。“開放人工智能”（OpenAI）首席執(zhí)行官薩姆·奧爾特曼表示，人工智能行業(yè)終將面對“能源危機”。為此，推動更有利于氣候變化的能源，尤其是核聚變或更便宜的太陽能、儲能，是人工智能優(yōu)先發(fā)展方向。

由中國自主設計研制的可控核聚變大科學裝置“中國環(huán)流三號”，也被稱為“新一代人造太陽”，2023年8月25日首次實現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行。

可控核聚變實驗裝置示意圖。

在美國硅谷精英的推動下，“人工智能+可控核聚變”正出現(xiàn)協(xié)同發(fā)展效應。OpenAI的重要投資者比爾·蓋茨就是可控核聚變的堅定擁護者，其參投的聯(lián)邦聚變公司（CFS）正建造全球最強大的高溫超導體線圈，希望在2025年完成裝置建設并實現(xiàn)正向增益。奧爾特曼在出任OpenAI首席執(zhí)行官前，曾擔任著名投資孵化器“創(chuàng)造函數(shù)”（YC）總裁，而核聚變領域的初創(chuàng)公司“太陽神能源”（Helion）是奧爾特曼關注并投資的首批硬科技公司之一。奧爾特曼曾在2015年向“太陽神能源”投資950萬美元，2021年又以個人名義提供3.75億美元，從而成為該公司最大投資人和董事會主席。“太陽神能源”正在建設名為“北極星”的原型反應堆，宣稱將在2024年年內展示通過核聚變發(fā)電的能力。2023年5月，微軟與“太陽神能源”簽署購電協(xié)議，計劃在2028年及之后從其購買50兆瓦電力，這是核聚變領域首次簽署售電協(xié)議。此外，各國科技巨頭，如谷歌、亞馬遜、騰訊等都在核聚變領域有所投資布局。2023年，全球有30多個核聚變項目獲得風險投資。截至2023年末，全球核聚變市場規(guī)模超過3000億美元，預計在2030年有望達到5000億美元。

近年來，美國兩黨圍繞能源政策相互攻訐、極化嚴重，但在核能領域基本能達成一致意見。特朗普政府以來，兩黨相繼通過了《核能創(chuàng)新能力法案》《核能領導法案》等，消除核能的一些財務和技術障礙，將能源部的工作重點轉移到示范先進反應堆上。拜登上臺后，《兩黨基礎設施法案》為美國民用核項目提供60億美元信貸資金；《通脹削減法案》對在運和新建核電站實行稅收抵免；向能源部提供2500億美元貸款和擔保，用于鼓勵升級和重啟包括核電站在內的清潔能源設施；提供7億美元幫助完善其高豐度低濃鈾的國內供應鏈；由能源部核能辦公室撥款1.5億美元用于加強國家實驗室的基礎設施建設。2023年3月，美國能源部發(fā)布《先進核能商業(yè)化路徑》報告，提出美國到2050年可能需要建成2億千瓦核電裝機容量，并在2030年啟動先進核能的商業(yè)化部署。在政府指引和資助支持下，美國核工業(yè)在“停滯”多年后，實現(xiàn)了一系列發(fā)展。2022年7月，美國核能管理委員會通過了第一個小型模塊化核反應爐設計認證申請。2022年10月，沃格特勒3號AP1000機組完成首次裝料，這是近30年來美國首個正式啟動建設的核電項目。美國期待在人工智能助力下，盡早占據(jù)可控核聚變的戰(zhàn)略制高點，形成“人工智能+可控核聚變”的復合創(chuàng)新模式，推廣模塊化小型推等應用場景，最終產生顛覆性的戰(zhàn)略影響。

美國要與中國競爭

2023年12月，美國能源部的核聚變能源辦公室（FES）發(fā)布《構建橋梁：核聚變辦公室愿景報告》，報告指出，全球核聚變能源賽道的競爭日趨激烈，中國在核聚變專利數(shù)量和專利競爭力領域超過了美國。根據(jù)核聚變科學與技術路線圖，在2025年前，美國將通過支持政企合作、種子基金、分散投資、里程碑計劃、國際合作等方式，實現(xiàn)核聚變科技創(chuàng)新。同期，在第28屆聯(lián)合國氣候變化大會（COP28）期間，美國發(fā)布了以推動核聚變發(fā)電商業(yè)化的首份國際合作計劃。美國氣候變化特使克里表示，美國將與其他國家深化政企合作，加快核聚變的商業(yè)化進程。

我國將核聚變視為戰(zhàn)略新興產業(yè)，在核聚變科研領域已經處于全球領先地位。中國超導托卡馬克在2021年創(chuàng)造了等離子體運行101秒的記錄后，2023年實現(xiàn)等離子體運行400秒以上。2023年8月，設計參數(shù)最高、規(guī)模最大的核聚變大科學裝置“中國環(huán)流三號”首次實現(xiàn)100萬安培（1兆安）等離子體電流下的高約束模式運行，再次刷新中國磁約束聚變裝置運行紀錄。我國也高度重視“人工智能+核聚變”的協(xié)同技術開發(fā)。2024年3月，國家發(fā)展與改革委員會公布2024年國民經濟和社會發(fā)展計劃草案，明確提出開展“人工智能+”行動，持續(xù)推進核聚變等前沿技術開發(fā)。國務院國資委立足中央企業(yè)培養(yǎng)新質生產力，加快中央企業(yè)戰(zhàn)略性新興產業(yè)布局，提前布局可控核聚變。

（安雨康為中國石油集團經濟技術研究院工程師、中國現(xiàn)代國際關系研究院博士研究生，凌宵鵬為北京語言大學商學院學生）