中国首批核聚变创业者谭熠：它总在你绝望时又给你希望

“核聚变永远还有 50 年是对的，现在不到 10 年可能也是对的。”文丨贺乾明编辑丨程曼祺“如果核聚变发电就是实现不了呢？”听到这个问题，在清华大学研究核聚变 20 多年的谭熠沉默了几秒，然后笑了起来。他觉得这个问题 “根本没道理”，因为核聚变 “从科学上是可行的”。70 多年前的曼哈顿工程期间，科学家就了解核聚变原理。二战结束后，美国很快就用它造出了氢弹。但用核聚变发电的研究几经起伏，冷战后几乎停滞了 20 多年。情况在 2021 年发生变化，美国的核聚变公司 Helion 宣布把等离子体加热到 1 亿摄氏度，实现原本只有政府项目才能做到的壮举；从麻省理工分拆的核聚变公司 CFS 开发出形成更强磁场的高温超导磁体，把低成本建造能实现核聚变装置可能性大幅提高。核聚变创业热潮出现：OpenAI 联合创始人山姆·阿尔特曼、PayPal 联合创始人彼得·蒂尔、比尔·盖茨、乔治·索罗斯等硅谷科技名流和富豪，以及 Google、DFJ 等机构在短时间里朝核聚变行业投资了 30 多亿美元，是美国政府数年来累计拨款的数倍。这一年，谭熠创办核聚变公司星环聚能，担任首席科学家，在 2022 年 6 月拿到数亿元的天使轮融资，成为中国首批核聚变创业者。同年成立的还有从米哈游等公司拿到 4 亿元人民币投资的能量奇点。这个月，核聚变工业协会（FIA）发布报告称，有 5 家公司计划在 2030 年之前实现核聚变发电，还有 21 家定在 2035 年之前。{出处:wuhan.danmu666.com}谭熠说，核聚变领域也存在 “Scaling Laws”，这本身是一个物理概念：把核聚变装置的尺寸、磁场感应强度和磁场利用效率提高后，就能达到更好的效果。“资金投入多了很多，有很多激励机制高效、效率高的公司参与，会大幅加速这个过程。”他的核聚变研究生涯从行业低谷期开始。2002 年，他在清华大学工程物理系核物理专业确定保研方向时，刚好赶上清华建成托卡马克装置，就留下攻读核聚变方向博士。那时正值全球多数国家缩减核聚变投入。美国能源部给核聚变研究的拨款降到高峰时期的 1/4。“有多少钱办多少事，研究进展基本就是一个水平线。” 谭熠说，“核聚变永远还有 50 年” 的说法就在这时候出现。谭熠所在的实验室也经费不足：核聚变装置建成后，他们只是维护运行就面临极大的资金压力，“真空密封圈都是自己用粗保险丝焊的”。但谭熠没有改行，因为这个领域和他的爱好与擅长高度重合。2009 年博士毕业后，谭熠留在清华继续研究核聚变，2015 年才评上副高级职称。【来源:wuhan.lvdior.com】创办星环聚能成了谭熠职业生涯的转折点。借助他和团队之前 20 年的研究经验，星环聚能只用 279 天就在西安建成第一代核聚变实验装置，并成功运行，点亮等离子体——这是实现核聚变的最基础条件。星环聚能运行第一代核聚变装置，点亮等离子体。图片来自星环聚能。创业这两年，谭熠说自己的潜力得到释放，“成果可能比过去二十年都多”。他说 “核聚变永远 50 年在当时是对的，现在这个阶段不到 10 年，可能也是对的。”星环聚能正在设计下一代核聚变装置，预计 2027 年建成。他们计划，这个装置不仅要实现核聚变，还要把消耗的能量降低到产生能量的 1/10——离核聚变发电只有一步之遥。美国的核聚变公司 Helion 和 CFS 计划今年或明年达到这个目标。问题是，Scaling Laws 只是过去的经验总结，最多到实现 5.2 秒核聚变。[图文:wuhan.huoguotiku.com]该纪录由英国的托卡马克装置 JET 在 2023 年底创造。而 5.2 秒可控核聚变到能够平稳发电之间还是一片空白。过去的规律在未来能否继续有效？“作为一个创业者，我会往好了想。[图文:wuhan.hhxiaojudeng.com]” 谭熠认为装置真做到那个地步，性能也许会更好。核聚变领域过去 70 年的研究经历告诉他：当你很绝望时，总会有一些你完全无法预料的物理现象出现。寻找投资是他们的长期任务。星环聚能的下一代装置需要 12 亿元人民币，他们已筹到的资金还不够。谭熠是那种让投资人喜欢但又觉得棘手的创业者。他有过硬的研究背景，是博士生导师，管着清华大学的核聚变装置，可以聚集一批专业人才。他还有一段成功的创业经历：2016 年创办的硕橙科技去年收入过亿，近期完成 C1 轮融资。但他给星环聚能选了一条独特的技术路线，在美国基本找不到另一家公司像他们这么做。谭熠说：“我们需要向投资人额外解释，为什么我们的路线可以。” 他希望投资人们胆子再大一点。以下是我们与星环聚能创始人、首席科学家谭熠的对话：“从永远 50 年到现在的不到 10 年，都是客观表述”《晚点》：现在有 5 家商业公司定下目标，要在 2030 年前实现核聚变发电。技术真到了这个地步吗？谭熠：现在到 2030 年还有六七年时间。从科学、工程或者技术上，受控核聚变还没有完全无法解决的问题。我的感受是，我们不能基于受控核聚变之前几十年的发展速度，来判断后面的发展速度。现在资金投入比之前多了很多，国有研究机构之外，有很多非常灵活、激励机制非常先进、效率也非常高的公司参与，确实可以大幅加速。《晚点》：全球多个政府机构一起投资 200 多亿美元的核聚变装置 ITER，有十层楼高，计划在 2035 年运行，也没有定下目标一定能发电。为什么双方预期差别这么大？谭熠：因为双方的技术路线截然不同。如果都走 ITER 这个路线，并且采用 ITER 的协作方式，我相信没有哪家公司敢说比 ITER 走得更快。商业公司在 ITER 的基础上做了大幅简化和调整，比如缩小装置尺寸，调整技术路线，提高团队效率，确实省了很多资源，也有可能大幅缩短时间。《晚点》：所以商业机构作为主力，推动核聚变发电变成现实，是最合适的路径？谭熠：商业机构确实效率更高。目前的情况是，不管是什么路径，只要科学原理上没有什么问题，都有可能得到支持。聚变成功肯定是一件收益无限的事，但怎样算最合适地达到这个目标，还没人绝对肯定。我觉得还得饱和式支持，总有一些路线或者团队取得突破，得到惊人回报。《晚点》：1940 年代，造原子弹（核裂变）的曼哈顿工程期间，核聚变原理就已经明确；到后来 1950 年代成功造出氢弹（核聚变），聚变的思路就更清晰了。为什么后面核裂变电站发展得很快，核聚变电站研究 70 多年，还是很遥远？谭熠：原子弹和核裂变电站的区别其实不大，裂变电站放置了许多控制棒在核燃料里，裂变链式反应的维持与原子弹没什么本质区别。的确，氢弹实现没有多久，实现核聚变的指标就非常清晰了：以氘氚两个元素实现聚变为例，温度要到 1 亿摄氏度到 1.5 亿摄氏度，把（氘氚变成的）等离子体的密度压缩，每立方米有 10 的 20 次方个粒子，再把能量约束（用磁场把等离子体压缩并限制在特定空间）时间提高到秒级。但我们做一个聚变电站，不可能像氢弹一样，用一个原子弹去引爆，要找一个全新路子，导致核聚变电站到现在还没出现。现在主流的方式是磁约束（借助强大的磁场实现核聚变）。过去 70 多年，大家都在追求在可控的前提下，让温度、等离子体密度和能量约束时间达到聚变的条件。（备注：实现可控聚变有两种探索方向：一是惯性约束，人工模拟氢弹爆炸；另一种是磁约束，主要的方法是用强力磁场压缩高温等离子体。）《晚点》：这 70 年里，聚变研究经历几次起落，60、70 年代是上一个高峰，现在是一个新的投入高峰，这是怎么发生的？谭熠：整体上与国际局势密切相关。1950 年代是亢奋期，各国都在疯狂搞各种方案，闷着头想第一个做出来，谁先干出来，谁就掌握了终极能源。但是到 1950 年代末，大家发现这个事情跟想象的不一样，很难，情绪就比较低落了。1960 年代末，苏联人发明的托卡马克装置，性能远超最初估计，得到世界认可。再加上 1970 年代的中东战争、石油危机，之后 10 多年是聚变的黄金时期，各国投入非常多，几个大装置，包括前段时间刚刚关闭的 JET，世界最大的托卡马克装置，就是这段时间建的。托卡马克装置 JET 的内部构造。托卡马克是 “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到 1980 年代早期，大家发现把托卡马克等离子体的加热功率提升去，它的约束（能量约束时间）就会显著变差。等离子体温度是劳逊判据的一个关键指标，能量约束时间也是劳逊判据的关键指标，我们希望这两个指标同时往上走，但实际上，一个指标往上，另一个指标就往下，两者的乘积很难提高，受控核聚变进入黑暗阶段{出处:wuhan.hzcjksc.com}。（备注：英国科学家劳逊在 1950 年代提出的核聚变点火必要条件，等离子体温度 T、能量约束时间 τ、跟等离子体密度 n 乘积必须达到一定的值。许多核聚变装置，包括 ITER，设计的时候都满足劳逊判据。）等离子体是一个很有意思的东西，它总在你绝望时给你来一个充满希望的实验现象。1982 年时，科学家们观测到一种叫做 “高约束模式” 的物理现象，等离子体在温度上升的同时，能量约束时间下降不会那么快，在合适的装置尺寸下，托卡马克就能满足劳逊判据。《晚点》：为什么还会有 “核聚变永远还有 50 年” 的说法？谭熠：到 1990 年代以后，国际关系形势又不一样了：苏联解体、石油变得非常便宜，不存在能源危机。大家觉得，聚变也没有那么急切，美国人那段时间还觉得 ITER 太费钱，一度退出。1990 年代到 2010 年，虽然几个装置都实现了聚变反应，功率到 10 兆瓦以上，但实际上是聚变辉煌阶段的余晖了。之后大家也没有太多投入，只是有多少钱办多少事，进展缓慢。“聚变永远 50 年” 的说法其实这段时间才出现。到 2010 年前后，大家又发现，高温超导和 AI 技术能推动核聚变发展，再加上全球变暖，对核聚变的需求又迫切起来了。从 2010 年代末到 2020 年代初，也是最近这一波，大家又开始投资聚变。前面的 “永远 50 年”，现在变成 “就在 10 年内”，都是客观表述。这与资金投入程度，技术突破等等都有关系。“永远 50 年” 在当时是对的，现在这个阶段 “不到 10 年” 有可能也是对的。核聚变有自己的 Scaling Laws《晚点》：高温超导、AI 技术，能怎样加速核聚变？谭熠：高温超导对托卡马克和仿星器（外形像一个麻花，形成的复杂磁场也能约束等离子体）这两种磁约束路线影响最大。从基本原理来讲，磁约束聚变装置，聚变输出功率由如下因素决定：首先是尺寸的三次方或者体积，一个堆建得越大，功率肯定越高；另一方面，它也正比于磁场的四次方和磁场利用效率的平方。用高温超导磁体大幅提升磁场强度，你就可以缩小堆的尺寸，降低建造成本，同时不降低输出功率。AI 则可以让一个（反应）堆运行得更稳定，可能让等离子体性能有百分之几十的提升。一个装置运行得好与差，可能就是百分之几十的性能差异。聚变等离子体是一个特别复杂的体系，它也是一个黑盒子。聚变等离子体要求密度是，每立方米有 10 的 20 次方（100000000000000000000）个粒子。我们现在的超级计算机都无法模拟如此巨量的粒子运动。现在大家唯一信得过的就是做实验，不同国家的不同团队，在不同装置上做不同实验，得到数据后做一个拟合，得出来规律。虽然大家说不清背后有什么道理，但都认为这个是可信的。这个过程就跟训练 AI 模型有点像。你可以把 AI 当成一个拟合器，只是它的参数非常非常多，几十个 Billion。如果把等离子体的每个粒子都当成一个参数，它们天然之间就存在一些共同之处。理论不好弄，不好预测这些，那就通过数据去推测，AI 能起到作用也比较自然。《晚点》：现在很多研究机构和商业公司，短期目标都是要让核聚变输出的能量超过消耗的能量（Q 值＞1）。有明确的路径吗？谭熠：是的。Q 值大于 1，或者有些激进一点，Q 等于 10 或者大于 10，这是建成商用聚变电站之前的里程碑。在磁约束方面，我刚才说的三个因子，尺寸、磁场和磁场利用效率，决定了三种不同的路线：我们管 ITER 这个叫做巨型托卡马克路线，把尺寸做大，比较稳妥但昂贵。另一种叫做强（磁）场托卡马克，我把尺寸控制住，提高磁场后，也能获得足够的聚变功率。还有一种叫球形托卡马克，装置尺寸控制得很小，磁场要高一点，也不用前者那么高，但把磁场利用效率提高。《晚点》：但现在全球 40 多家聚变商业公司尝试 20 多种不同类型的核聚变装置。为什么会有这么多装置？它们的差别是什么？谭熠：差别挺大的。至于为什么会有这么多方案，我觉得反映了科学家追求聚变产生了无穷无尽的创意，因为聚变的吸引力实在太大了。仿星器示意图，用复杂的线圈构成磁场。图片来自 Science。《晚点》：也就是说，聚变怎么实现还没有达成共识。谭熠：没错。现在大家公认托卡马克最领先，但哪种方案最有可能建成聚变电站，在市场上最有竞争力，谁也说不好。《晚点》：星环选的是球形的托卡马克装置。为什么？谭熠：当然是我们发现球形托卡马克最好。不过我们也有路径依赖。毕竟我们研究球形托卡马克 20 年了。它的优点已经被大量实验证实，【来源:wuhan.tprscf.com】比如磁场利用效率很高，相对容易实现核聚变等。它的麻烦之处在于，想长时间连续运行，比传统托卡马克更难。所以星环聚能做了大幅调整，把它变成一个脉冲、重复运行的装置，把这个问题跳过去了。另一方面，加热也比较麻烦。它的功率密度高，背后是等离子体密度比较高，外部的各种电磁波都打不进去，就不能很好地加热等离子体。有些波能注入进去，也是战战兢兢的，一旦等离子体的位置稍微有点移动，或者其他参数发生变化，效率就会大幅降低，一些波反射还会把射频加热系统的很多部件打坏。加热系统也非常昂贵，反正就是各种的难、贵。未来聚变堆要这么如履薄冰地运行，也不合适。所以我们也改造了加热方式，让它变得像多冲程内燃机那样，重复循环工作。它正好与我们脉冲重复运行的方式完美结合，这应该在全世界都是非常独特的技术路线。《晚点》：同行用的方案看上去挺简单，就是把托卡马克的磁体改成高温超导磁体，让磁场更强，也有可能达到预想的效果。谭熠：那是他们没把话说完。强磁场的最终目的也是提高功率密度，都会面临我说的这些问题。有时候我觉得，托卡马克你要去看本质，它就是一个变压器，就不适合长时间稳态运行。现在大家搞了各种辅助设备，勉强把它变成了可以长时间稳态运行的装置，但是强扭的瓜成本很高。研究装置成本高点没问题。但作为聚变电站，到电力市场上竞争，就要考虑成本问题。《晚点》：所以商业公司不需要做太多聚变基础研究，只需要把工程做好就可以了？谭熠：这是现实情况。即使是 ITER，也按照过去实验得到的规律设计，并不是把聚变的等离子体基本物理都了解清楚了。我们从实验中获得的 “定标律”，影响最大的因子就是装置的磁场、尺寸、电流大小等。想要改变这些因子，就是要不停地把工程技术迭代下去，做性能更高的装置。《晚点》：定标律是什么意思？谭熠：根据几百个实验数据拟合出来一条线，或者说是一个包含 10 来个因子的函数，就是 Scaling Laws，现在大模型也讲这个。从头做一家核聚变创业公司，不能只看到问题《晚点》：你在 2016 年创办了一家叫硕橙科技的公司，主要产品是你们研究托卡马克装置时衍生的技术，用声波检测机器状态。那个时候，跟你们路线相近的托卡马克能源已经成立 7 年，Helion 也成立 3 年。你为什么不直接创业做核聚变呢？谭熠：16 年的时候，我们确实知道国际同行在做核聚变公司。但我们不知道国内资本市场是什么样的态度，连创业都是第一次有想法，对创业的环境、过程、可能会遇到的问题完全没有认识。星环聚能这套技术路线，当时也没有完全形成，先借助硕橙将聚变衍生技术用到工业领域，也是挺好的一件事。《晚点》：后来发生了什么，让你觉得可以做一个聚变公司？谭熠：硕橙科技的创办和发展是很重要的铺垫。硕橙是一个从想法到产品的完整过程，也让我更多地基于用户需要思考和解决问题。2018 年-2020 年的时候，硕橙已经完成前几轮融资，也有一些比较熟的投资人会经常沟通。21 年，投资人朋友认为中国的风投市场能够容纳聚变公司。我们的技术路线也准备好了，也反复地跟海外同行比较过，优势非常突出，所以决定创办星环聚能。《晚点》：国内做核聚变的研究机构不多，做成商业公司更少。创办星环聚能的时候，你们从哪去找合适的人？谭熠：清华大学有个运行了 20 年的小球形托卡马克装置，虽然它是世界上最小的托卡马克之一，但也是一个完整的托卡马克，该有的部件都有。我们的核心团队都是这个实验室出来的博士，他们聪明能干，而且在这个装置上面已经有五六年的实战经验。他们组成公司的科学家团队，把聚变的物理问题转换成普通的工程问题，比如将聚变等离子体的控制问题，转换为要在何处加设多少匝线圈（机械工程），通过多大电流（电气和电子工程）的问题。这些方向专业的工程技术人才，我们在市场上正常去招就行了，选择余地也比较大。《晚点》：从头做一个核聚变装置大概是怎样的过程？谭熠：你得先明确物理目标，主要是电子密度、温度、能量约束时间、等离子体电流、磁场、等离子形状等等要达到什么地步；设定这些目标后，要做物理设计，需要多大的真空室、多大的磁场线圈、位置怎么放、每个线圈电流多少；物理设计结束以后，进入工程设计阶段，把刚才的这些物理指标变成一个可加工、可安装、便于维护的机械实体；然后就开始组装，建设配套的电源和控制系统，之后开始调试；最后就运行，获得第一等离子体，然后不断优化，把它提高到目标的参数上去。《晚点》：听上去核聚变行业没太多的秘密。谭熠：大的原理大家都清楚。包括我们这个技术路线，一说出去，同行一听也知道大概是怎么回事。当然，细节上会有哪些坑，要怎么处理，就只能你自己去操作才能够感受，才能够解决。建设和运行装置时，我们吃了很多苦头，各种困难层出不穷，有段时间每周都在出问题。星环聚能建成的第一代核聚变装置。图片来自星环聚能。《晚点》：如果把核聚变发电当做一个 100% 的进度条。星环的第一代装置，点亮等离子体、加热到 1700 万度，意味着走了多少？谭熠：如果完全看参数，进度条就是 20% 还不到。毕竟要到 1 亿度，才能达到核聚变反应条件。但是时间上倒不一定，不管是我们，还是其它研究院所或者是企业，一代装置和下一代装置之间的性能提升都是指数级的。按照我们的设想，下一代装置应该能达到 Q 大于 1 甚至 Q 大于 10 的程度。《晚点》：Q 值大于 10，行业里没有任何一个装置做到过。你们的信心来自哪？谭熠：来自于刚才说的定标律。《晚点》：什么时候建成？谭熠：按照我们路线图，希望 27 年能建成。我们也坦诚，可能会有一些意外，有些技术可能需要更多时间研发。[图文:wuhan.bag0755.net]到目前为止，我们还是朝这个目标努力。《晚点》：不会有困难或技术障碍吗？谭熠：单纯根据定标律来走，其实没有太多困难。麻烦的是，定标律最高也就到 JET 这个参数（5.2 秒核聚变），真正到 Q 大于 10，是 ITER 这个指标。JET 之下，数据点非常密集，大家认为定标律是相当可信的。但 JET 之上到 ITER 其实有一段空白。这个空白区域，是不是仍然符合定标律，大家有些不太确定。中间有空白，悲观的人当然可以往坏了想。但作为一个创业者，我会往好了想，装置真的做那么大{出处:wuhan.aaodd.com}，性能很有可能是优于定标律的。等离子体已经表现出来好几次这种特质，你很绝望的时候，它总是会产生一些你完全没预料到的现象，表现得比预期更好。《晚点》：建这样一个装置，有公司说要花 35 亿元人民币。你们说只用 12 亿元就可以干出来，为什么？谭熠：我们的技术路线省了很多额外设备，加热、电流驱动这种都不要了，可以大幅降低成本。通常来讲，一个托卡马克装置，它的电流驱动和辅助加热系统，【来源:wuhan.mp660.com】成本可能要比主机高不少。我们的尺寸比强磁场托卡马克路线还要小，这也能降低成本。《晚点》：就算是 12 亿，也超出星环现在融到的钱。你们融资顺利吗？谭熠：我们每天都会去接触各类投资人。我们面临的现实情况是，国外没有其他公司跟我们的方案完全一样，或者直接点，就是美国人没有这样的方案。我们要额外向投资人介绍，为什么没有美国人走，我们的路线可以实现。那些与美国人方案类似的公司融资时，反倒不需要做这些。创新要成体系才行。我们的创业者、科学家已经有足够多的原始创新时，希望投资人也有这个胆识，敢投这种美国公司没有投过的技术路线。《晚点》：你们想过核聚变能发电后怎么变现吗[图文:wuhan.szjysdz.com]？直接卖给电网？谭熠：让电力上网，其实有很严格的手续，但我持乐观态度。如果不上电网，就比较自由开放，很多民营公司都有自备电厂。国内有一些数据中心的运营方、电动汽车和电池厂商，都可能有潜在的需求，比如电动车出厂时要充满电{出处:wuhan.fensishu.com}，他们认为从电网上买有点贵。我们的反应堆比较紧凑，也可以放在十万吨级以上的船上面，这也是一个很大的应用场景。《晚点》：星环运营这 2 年，你对核聚变更乐观了吗？谭熠：乐观了。我亲身体会到，资金支持力度上来，管理体制做了企业化改变以后，速度快了很多。商业化运行这两年取得的成果，可能比我之前 20 年取得的都多。从我个人角度讲，这个事情商业化后，就是一条没有回头的路了。这个过程可能会有些不确定，可能会遇到一些麻烦，但不管怎么着，都得把它给解决掉。这是一个现实要求。《晚点》：普通人用上核聚变装置发的电，还得多长时间？谭熠：按照我们的计划，十年左右。题图：谭熠在清华大学实验室中接受访谈，由晚点作者拍摄。