英国原子能发布2021年全球核聚变产业报告2030年实现商业电网
地球上所有的社会活动都离不开能源，例如植物生长、人类出行和取暖以及所有的生产活动。通常，能源的供应需要靠化石燃料的燃烧、丰富的水力资源、原子裂变反应的核电以及近年来新兴的光伏发电。
但是，这些能源都有各自的缺点，例如地理条件限制、环境污染以及放射性辐射等。目前，世界上约 86% 的能源仍来自化石燃料，而因其产生的空气污染被认为是＂每年导致全球 880 万人死亡＂的原因 [1]。
随着环境矛盾的加剧，地球产生的二氧化碳量越来越多，地球的化石燃料资源也正在逐步枯竭。因此，人们亟需一种能量巨大、清洁的能源。
（来源：Pixabay）
太阳能源为何永不枯竭
太阳源源不断地向外发光、发热，如果我们将太阳供应能源的原理在地球使用，那我们能源就可以实现取之不尽、用之不竭。
首先，我们先来了解太阳可实现持续不断地输出能量的原因。在太阳内核是一个高温、高压的环境，太阳中心温度可达到 1500 万摄氏度，原子在里面发生热核反应，也就是核聚变。
简单来讲，在太阳内部原子受到高温和高压条件下，电子会从原子轨道上脱离，原子核和电子则形成高速运动的等离子体状态。这时，原子核不再受库仑力的影响，它们相互碰撞到一起发生了聚合作用。
在这个过程中，会因产生大量的中子和电子而产生质量塌缩，根据质能方程会释放大量的能量。在太阳内部，该热量源源不断地释放，产生的热量会连锁式地激发其他原子继续产生能量。因此，发生核聚变的反应条件虽然在太阳内部并不难，但是，如何在地球上创造这样的核聚变条件却非常困难。
＂人造太阳＂：在地球上实现核聚变
在核聚变反应中，一般是轻原子，例如氘（D）和氚（T），D-T 可以发生核聚变且释放 17.6MeV 的能量。同时，还可以通过 D-D（两个氘）发生聚变放出 14.1MeV 能量。海水中含有氘含量约为 0.02%，而氚一般是通过裂变堆中用中子轰击锂元素产生。
因此，可以推算出，1L 海水中氘发生核聚变产生的能量，相当于 300L 汽油产生的能量。但是，这两种方法都因产生中子而产生污染问题。
另外一种途径是通过两个氦-3 原子发生反应，但是地球上氦-3 资源有限。然而，氦-3 却广泛分布在月球表面，除了用于核聚变外还有很多其他用处，因此各国都会在自己登月计划中去探寻月球表面的氦-3 资源位置。
（来源：ITER）
地球上无法实现太阳内部的高压环境，只能利用更高的温度进行太阳内部的环境模拟。一般采用的方法是惯性约束和磁约束核聚变，其中，惯性约束通过高能激光进行，例如中国的神光计划和美国国家点火装置。
而磁约束核聚变一般通过托卡马克装置或者仿星器进行，其中，托卡马克装置因为其实验效果好、成本低而受到广泛重视，并且现在因为高温超导体的发展更容易实现强磁环境，也大大促进了托卡马克装置的发展 [2]。
在地球上实现核聚变是一项非常艰巨的任务。2006 年 11 月 21 日，中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国的多国政府代表通过签署国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）合作协议，坚定地致力于 ITER 建设 [3]。
ITER 组织在每个成员国批准ITER协议后，于 2007 年 10 月 24 日正式成立，它是多国长达 20 年的合作努力的成果，旨在证明核聚变能源的科学和技术上的可行性。2020 年 7 月 28 日，ITER 计划重大工程安装启动仪式在法国举行。
同时，2010 年 9 月 28 日，中国的全超导托卡马克装置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）也首次地成功完成了放电实验。
核聚变正在商业化发展
现在正是核聚变能量高速发展的时期，受大气环境影响，人们对低碳能源的需求急剧增加，也增加了对核聚变能源的关注程度。除了国家间的科研计划外，随着核聚变产生的巨大能源和近些年的技术飞跃，越来越多的私有资金也开始聚焦核聚变公司，并积极地参与战略投资。
核聚变技术一旦商业化，其所带来的资金收益可观。因此，一些政府通过增加与核聚变公司的公共实验室合作，利用专业知识、设施和公共投资的各种方式来加速该领域的发展。
近年来，每年都涌现出很多新的核聚变公司，探索新概念和新技术，以通过最快的途径获得商业核聚变能源。
鉴于这些进展，核聚变工业协会（The Fusion Industry Association，FIA）与英国原子能管理局（UK Atomic Energy Authority，UKAEA）针对全球 23 家核聚变公司进行了调查，并发布了报告《2021 年全球核聚变产业》（The Globan Fusion Industry in 2021） [4]。
（来源：The Globan Fusion Industry in 2021）
在被调查的 23 家公司中，除了中国和印度的两家公司在发展中国家外，其余公司都建立在发达国家。其中，美国和英国的被调查核聚变公司分别为 13 家和 5 家，占绝大多数。这从侧面说明，这两个国家在核聚变商业化应用中走在前列，同时，这两个发达国家对能源需求巨大。
（来源：The Globan Fusion Industry in 2021）
在这项调查中，23 家核聚变商业公司迄今为止共获得了近 19 亿美元的各种私募资金，以及大约 8500 万美元的各项政府拨款或者资金。在这 23 家核聚变商业公司中获得投资最多的四个公司，其私募资金占比达 85%。
在过去三十年里，致力于核聚变商业化公司的数量呈递增趋势。尤其是近十年以来，其增长速度在加速增快。在这项调查报告中，有15家核聚变公司是在过去十年中成立的，其中 12 家在过去 5 年成立。
（来源：The Globan Fusion Industry in 2021）
不同的核聚变公司所采用的技术路线各有不同，其中最普遍的广泛技术方法是使用可控磁约束核聚变。
但除此之外，也呈现出多样性，因为各家核聚变公司都有自己特定的技术重点。针对未来可以应用于哪些市场，大多数核聚变公司的主要市场目标是电力供应领域或空间推进技术。但是,也有许多公司看到了多个细分的市场。
（来源：The Globan Fusion Industry in 2021）
令人兴奋的是，大部分受访的核聚变公司都对未来核聚变商业化充满信心，他们普遍认为人类将在 2030 年左右首次实现基于核聚变的商业电网。并且，在 2030 年或 2040 年左右将首次可实现核聚变能源在空间推进领域中的应用。
（来源：Commonwealth Fusion Systems）
该报告还对各家核聚变商业公司的一些基础数据进行了调查。其中，获得投资额最大的美国 Commonwealth Fusion Systems（CFS）是在 2018 年由麻省理工学院等离子体科学和核聚变中心所孵化，其 CEO 为鲍勃·穆姆加德（Bob Mumgaard）[5]。
该公司在美国马萨诸塞州建造了一个 47 英亩的商业聚变能源园区，实现紧凑型核聚变设备 SPARC 的制造，并且有望在 2025 年实现组网发电。
该公司突破了高温超导体技术，并创造出高达 20 特斯拉的强磁场约束，实现了更快地、造规模更小、成本更低的核聚变商业化路线。目前，该公司已经获得了 2.5 亿美元以上的资助。据悉，最近该公司获得了 18 亿美元的 B 轮融资。
（来源：新奥集团）
而在中国市场中，第一家致力于商业化核聚变的公司是位于河北省的新奥集团。它是一家传统的清洁能源公司，在 2018 年联合北京大学、日本东京大学等高校创立了新奥核聚变科技研发中心，现已获得 1.5 亿美元的资金投入 [6]。
该公司在 2019 年建造了中等规模球形托卡马克聚变实验装置－新奥＂玄龙－50＂，向着紧凑型核聚变装置进行研发。不同于国家级或者国际级的 EAST、ITER，新奥对于核聚变商业是将实现分布式供能，其不仅发电，还将利用所释放的热量。
现在，进入核聚变领域的投资越来越多，各国政府在该领域也将积极资助，这些都会加快核聚变商业化的实现。人们希望核聚变能源将成为有用、清洁、低价的新型能源，核聚变能源或将带来巨大的全球机遇。
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参考：
1、Windridge M . Can start-ups fast-track fusion energy?[J]. Nature , 2021, 596.
2、Compact fusion energy based on the spherical tokamak[J]. Nuclear Fusion , 2018, 58(1):016039.1-016039.9
3、Kaname, Ikeda. ITER on the road to fusion energy[J]. Nuclear Fusion , 2010.
4、The Globan Fusion Industry in 2021
5、https://cfs.energy/
6、http://www.ennresearch.com/