中國首批覈聚變創業者譚熠：它總在你絕望時又給你希望

“核聚變永遠還有 50 年是對的，現在不到 10 年可能也是對的。”文丨賀乾明編輯丨程曼祺“如果核聚變發電就是實現不了呢？”聽到這個問題，在清華大學研究核聚變 20 多年的譚熠沉默了幾秒，然後笑了起來。他覺得這個問題 “根本沒道理”，因爲核聚變 “從科學上是可行的”。70 多年前的曼哈頓工程期間，科學家就瞭解核聚變原理。二戰結束後，美國很快就用它造出了氫彈。但用核聚變發電的研究幾經起伏，冷戰後幾乎停滯了 20 多年。情況在 2021 年發生變化，美國的核聚變公司 Helion 宣佈把等離子體加熱到 1 億攝氏度，實現原本只有政府項目才能做到的壯舉；從麻省理工分拆的核聚變公司 CFS 開發出形成更強磁場的高溫超導磁體，把低成本建造能實現核聚變裝置可能性大幅提高。核聚變創業熱潮出現：OpenAI 聯合創始人山姆·阿爾特曼、PayPal 聯合創始人彼得·蒂爾、比爾·蓋茨、喬治·索羅斯等硅谷科技名流和富豪，以及 Google、DFJ 等機構在短時間裡朝核聚變行業投資了 30 多億美元，是美國政府數年來累計撥款的數倍。這一年，譚熠創辦核聚變公司星環聚能，擔任首席科學家，在 2022 年 6 月拿到數億元的天使輪融資，成爲中國首批覈聚變創業者。同年成立的還有從米哈遊等公司拿到 4 億元人民幣投資的能量奇點。這個月，核聚變工業協會（FIA）發佈報告稱，有 5 家公司計劃在 2030 年之前實現核聚變發電，還有 21 家定在 2035 年之前。{出處:wuhan.danmu666.com}譚熠說，核聚變領域也存在 “Scaling Laws”，這本身是一個物理概念：把核聚變裝置的尺寸、磁場感應強度和磁場利用效率提高後，就能達到更好的效果。“資金投入多了很多，有很多激勵機制高效、效率高的公司參與，會大幅加速這個過程。”他的核聚變研究生涯從行業低谷期開始。2002 年，他在清華大學工程物理系核物理專業確定保研方向時，剛好趕上清華建成託卡馬克裝置，就留下攻讀核聚變方向博士。那時正值全球多數國家縮減核聚變投入。美國能源部給核聚變研究的撥款降到高峰時期的 1/4。“有多少錢辦多少事，研究進展基本就是一個水平線。” 譚熠說，“核聚變永遠還有 50 年” 的說法就在這時候出現。譚熠所在的實驗室也經費不足：核聚變裝置建成後，他們只是維護運行就面臨極大的資金壓力，“真空密封圈都是自己用粗保險絲焊的”。但譚熠沒有改行，因爲這個領域和他的愛好與擅長高度重合。2009 年博士畢業後，譚熠留在清華繼續研究核聚變，2015 年才評上副高級職稱。【來源:wuhan.lvdior.com】創辦星環聚能成了譚熠職業生涯的轉折點。藉助他和團隊之前 20 年的研究經驗，星環聚能只用 279 天就在西安建成第一代核聚變實驗裝置，併成功運行，點亮等離子體——這是實現核聚變的最基礎條件。星環聚能運行第一代核聚變裝置，點亮等離子體。圖片來自星環聚能。創業這兩年，譚熠說自己的潛力得到釋放，“成果可能比過去二十年都多”。他說 “核聚變永遠 50 年在當時是對的，現在這個階段不到 10 年，可能也是對的。”星環聚能正在設計下一代核聚變裝置，預計 2027 年建成。他們計劃，這個裝置不僅要實現核聚變，還要把消耗的能量降低到產生能量的 1/10——離核聚變發電只有一步之遙。美國的核聚變公司 Helion 和 CFS 計劃今年或明年達到這個目標。問題是，Scaling Laws 只是過去的經驗總結，最多到實現 5.2 秒核聚變。[圖文:wuhan.huoguotiku.com]該紀錄由英國的託卡馬克裝置 JET 在 2023 年底創造。而 5.2 秒可控核聚變到能夠平穩發電之間還是一片空白。過去的規律在未來能否繼續有效？“作爲一個創業者，我會往好了想。[圖文:wuhan.hhxiaojudeng.com]” 譚熠認爲裝置真做到那個地步，性能也許會更好。核聚變領域過去 70 年的研究經歷告訴他：當你很絕望時，總會有一些你完全無法預料的物理現象出現。尋找投資是他們的長期任務。星環聚能的下一代裝置需要 12 億元人民幣，他們已籌到的資金還不夠。譚熠是那種讓投資人喜歡但又覺得棘手的創業者。他有過硬的研究背景，是博士生導師，管着清華大學的核聚變裝置，可以聚集一批專業人才。他還有一段成功的創業經歷：2016 年創辦的碩橙科技去年收入過億，近期完成 C1 輪融資。但他給星環聚能選了一條獨特的技術路線，在美國基本找不到另一家公司像他們這麼做。譚熠說：“我們需要向投資人額外解釋，爲什麼我們的路線可以。” 他希望投資人們膽子再大一點。以下是我們與星環聚能創始人、首席科學家譚熠的對話：“從永遠 50 年到現在的不到 10 年，都是客觀表述”《晚點》：現在有 5 家商業公司定下目標，要在 2030 年前實現核聚變發電。技術真到了這個地步嗎？譚熠：現在到 2030 年還有六七年時間。從科學、工程或者技術上，受控核聚變還沒有完全無法解決的問題。我的感受是，我們不能基於受控核聚變之前幾十年的發展速度，來判斷後面的發展速度。現在資金投入比之前多了很多，國有研究機構之外，有很多非常靈活、激勵機制非常先進、效率也非常高的公司參與，確實可以大幅加速。《晚點》：全球多個政府機構一起投資 200 多億美元的核聚變裝置 ITER，有十層樓高，計劃在 2035 年運行，也沒有定下目標一定能發電。爲什麼雙方預期差別這麼大？譚熠：因爲雙方的技術路線截然不同。如果都走 ITER 這個路線，並且採用 ITER 的協作方式，我相信沒有哪家公司敢說比 ITER 走得更快。商業公司在 ITER 的基礎上做了大幅簡化和調整，比如縮小裝置尺寸，調整技術路線，提高團隊效率，確實省了很多資源，也有可能大幅縮短時間。《晚點》：所以商業機構作爲主力，推動核聚變發電變成現實，是最合適的路徑？譚熠：商業機構確實效率更高。目前的情況是，不管是什麼路徑，只要科學原理上沒有什麼問題，都有可能得到支持。聚變成功肯定是一件收益無限的事，但怎樣算最合適地達到這個目標，還沒人絕對肯定。我覺得還得飽和式支持，總有一些路線或者團隊取得突破，得到驚人回報。《晚點》：1940 年代，造原子彈（核裂變）的曼哈頓工程期間，核聚變原理就已經明確；到後來 1950 年代成功造出氫彈（核聚變），聚變的思路就更清晰了。爲什麼後面核裂變電站發展得很快，核聚變電站研究 70 多年，還是很遙遠？譚熠：原子彈和核裂變電站的區別其實不大，裂變電站放置了許多控制棒在覈燃料裡，裂變鏈式反應的維持與原子彈沒什麼本質區別。的確，氫彈實現沒有多久，實現核聚變的指標就非常清晰了：以氘氚兩個元素實現聚變爲例，溫度要到 1 億攝氏度到 1.5 億攝氏度，把（氘氚變成的）等離子體的密度壓縮，每立方米有 10 的 20 次方個粒子，再把能量約束（用磁場把等離子體壓縮並限制在特定空間）時間提高到秒級。但我們做一個聚變電站，不可能像氫彈一樣，用一個原子彈去引爆，要找一個全新路子，導致核聚變電站到現在還沒出現。現在主流的方式是磁約束（藉助強大的磁場實現核聚變）。過去 70 多年，大家都在追求在可控的前提下，讓溫度、等離子體密度和能量約束時間達到聚變的條件。（備註：實現可控聚變有兩種探索方向：一是慣性約束，人工模擬氫彈爆炸；另一種是磁約束，主要的方法是用強力磁場壓縮高溫等離子體。）《晚點》：這 70 年裡，聚變研究經歷幾次起落，60、70 年代是上一個高峰，現在是一個新的投入高峰，這是怎麼發生的？譚熠：整體上與國際局勢密切相關。1950 年代是亢奮期，各國都在瘋狂搞各種方案，悶着頭想第一個做出來，誰先幹出來，誰就掌握了終極能源。但是到 1950 年代末，大家發現這個事情跟想象的不一樣，很難，情緒就比較低落了。1960 年代末，蘇聯人發明的託卡馬克裝置，性能遠超最初估計，得到世界認可。再加上 1970 年代的中東戰爭、石油危機，之後 10 多年是聚變的黃金時期，各國投入非常多，幾個大裝置，包括前段時間剛剛關閉的 JET，世界最大的託卡馬克裝置，就是這段時間建的。託卡馬克裝置 JET 的內部構造。託卡馬克是 “帶有電磁線圈的環形真空室”，名字來自環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、 線圈（kotushka）這四個俄語單詞的縮寫。來源：JET到 1980 年代早期，大家發現把託卡馬克等離子體的加熱功率提升去，它的約束（能量約束時間）就會顯著變差。等離子體溫度是勞遜判據的一個關鍵指標，能量約束時間也是勞遜判據的關鍵指標，我們希望這兩個指標同時往上走，但實際上，一個指標往上，另一個指標就往下，兩者的乘積很難提高，受控核聚變進入黑暗階段{出處:wuhan.hzcjksc.com}。（備註：英國科學家勞遜在 1950 年代提出的核聚變點火必要條件，等離子體溫度 T、能量約束時間 τ、跟等離子體密度 n 乘積必須達到一定的值。許多核聚變裝置，包括 ITER，設計的時候都滿足勞遜判據。）等離子體是一個很有意思的東西，它總在你絕望時給你來一個充滿希望的實驗現象。1982 年時，科學家們觀測到一種叫做 “高約束模式” 的物理現象，等離子體在溫度上升的同時，能量約束時間下降不會那麼快，在合適的裝置尺寸下，託卡馬克就能滿足勞遜判據。《晚點》：爲什麼還會有 “核聚變永遠還有 50 年” 的說法？譚熠：到 1990 年代以後，國際關係形勢又不一樣了：蘇聯解體、石油變得非常便宜，不存在能源危機。大家覺得，聚變也沒有那麼急切，美國人那段時間還覺得 ITER 太費錢，一度退出。1990 年代到 2010 年，雖然幾個裝置都實現了聚變反應，功率到 10 兆瓦以上，但實際上是聚變輝煌階段的餘暉了。之後大家也沒有太多投入，只是有多少錢辦多少事，進展緩慢。“聚變永遠 50 年” 的說法其實這段時間纔出現。到 2010 年前後，大家又發現，高溫超導和 AI 技術能推動核聚變發展，再加上全球變暖，對核聚變的需求又迫切起來了。從 2010 年代末到 2020 年代初，也是最近這一波，大家又開始投資聚變。前面的 “永遠 50 年”，現在變成 “就在 10 年內”，都是客觀表述。這與資金投入程度，技術突破等等都有關係。“永遠 50 年” 在當時是對的，現在這個階段 “不到 10 年” 有可能也是對的。核聚變有自己的 Scaling Laws《晚點》：高溫超導、AI 技術，能怎樣加速核聚變？譚熠：高溫超導對託卡馬克和仿星器（外形像一個麻花，形成的複雜磁場也能約束等離子體）這兩種磁約束路線影響最大。從基本原理來講，磁約束聚變裝置，聚變輸出功率由如下因素決定：首先是尺寸的三次方或者體積，一個堆建得越大，功率肯定越高；另一方面，它也正比於磁場的四次方和磁場利用效率的平方。用高溫超導磁體大幅提升磁場強度，你就可以縮小堆的尺寸，降低建造成本，同時不降低輸出功率。AI 則可以讓一個（反應）堆運行得更穩定，可能讓等離子體性能有百分之幾十的提升。一個裝置運行得好與差，可能就是百分之幾十的性能差異。聚變等離子體是一個特別複雜的體系，它也是一個黑盒子。聚變等離子體要求密度是，每立方米有 10 的 20 次方（100000000000000000000）個粒子。我們現在的超級計算機都無法模擬如此巨量的粒子運動。現在大家唯一信得過的就是做實驗，不同國家的不同團隊，在不同裝置上做不同實驗，得到數據後做一個擬合，得出來規律。雖然大家說不清背後有什麼道理，但都認爲這個是可信的。這個過程就跟訓練 AI 模型有點像。你可以把 AI 當成一個擬合器，只是它的參數非常非常多，幾十個 Billion。如果把等離子體的每個粒子都當成一個參數，它們天然之間就存在一些共同之處。理論不好弄，不好預測這些，那就通過數據去推測，AI 能起到作用也比較自然。《晚點》：現在很多研究機構和商業公司，短期目標都是要讓核聚變輸出的能量超過消耗的能量（Q 值＞1）。有明確的路徑嗎？譚熠：是的。Q 值大於 1，或者有些激進一點，Q 等於 10 或者大於 10，這是建成商用聚變電站之前的里程碑。在磁約束方面，我剛纔說的三個因子，尺寸、磁場和磁場利用效率，決定了三種不同的路線：我們管 ITER 這個叫做巨型託卡馬克路線，把尺寸做大，比較穩妥但昂貴。另一種叫做強（磁）場託卡馬克，我把尺寸控制住，提高磁場後，也能獲得足夠的聚變功率。還有一種叫球形託卡馬克，裝置尺寸控制得很小，磁場要高一點，也不用前者那麼高，但把磁場利用效率提高。《晚點》：但現在全球 40 多家聚變商業公司嘗試 20 多種不同類型的核聚變裝置。爲什麼會有這麼多裝置？它們的差別是什麼？譚熠：差別挺大的。至於爲什麼會有這麼多方案，我覺得反映了科學家追求聚變產生了無窮無盡的創意，因爲聚變的吸引力實在太大了。仿星器示意圖，用複雜的線圈構成磁場。圖片來自 Science。《晚點》：也就是說，聚變怎麼實現還沒有達成共識。譚熠：沒錯。現在大家公認託卡馬克最領先，但哪種方案最有可能建成聚變電站，在市場上最有競爭力，誰也說不好。《晚點》：星環選的是球形的託卡馬克裝置。爲什麼？譚熠：當然是我們發現球形託卡馬克最好。不過我們也有路徑依賴。畢竟我們研究球形託卡馬克 20 年了。它的優點已經被大量實驗證實，【來源:wuhan.tprscf.com】比如磁場利用效率很高，相對容易實現核聚變等。它的麻煩之處在於，想長時間連續運行，比傳統託卡馬克更難。所以星環聚能做了大幅調整，把它變成一個脈衝、重複運行的裝置，把這個問題跳過去了。另一方面，加熱也比較麻煩。它的功率密度高，背後是等離子體密度比較高，外部的各種電磁波都打不進去，就不能很好地加熱等離子體。有些波能注入進去，也是戰戰兢兢的，一旦等離子體的位置稍微有點移動，或者其他參數發生變化，效率就會大幅降低，一些波反射還會把射頻加熱系統的很多部件打壞。加熱系統也非常昂貴，反正就是各種的難、貴。未來聚變堆要這麼如履薄冰地運行，也不合適。所以我們也改造了加熱方式，讓它變得像多衝程內燃機那樣，重複循環工作。它正好與我們脈衝重複運行的方式完美結合，這應該在全世界都是非常獨特的技術路線。《晚點》：同行用的方案看上去挺簡單，就是把託卡馬克的磁體改成高溫超導磁體，讓磁場更強，也有可能達到預想的效果。譚熠：那是他們沒把話說完。強磁場的最終目的也是提高功率密度，都會面臨我說的這些問題。有時候我覺得，託卡馬克你要去看本質，它就是一個變壓器，就不適合長時間穩態運行。現在大家搞了各種輔助設備，勉強把它變成了可以長時間穩態運行的裝置，但是強扭的瓜成本很高。研究裝置成本高點沒問題。但作爲聚變電站，到電力市場上競爭，就要考慮成本問題。《晚點》：所以商業公司不需要做太多聚變基礎研究，只需要把工程做好就可以了？譚熠：這是現實情況。即使是 ITER，也按照過去實驗得到的規律設計，並不是把聚變的等離子體基本物理都瞭解清楚了。我們從實驗中獲得的 “定標律”，影響最大的因子就是裝置的磁場、尺寸、電流大小等。想要改變這些因子，就是要不停地把工程技術迭代下去，做性能更高的裝置。《晚點》：定標律是什麼意思？譚熠：根據幾百個實驗數據擬合出來一條線，或者說是一個包含 10 來個因子的函數，就是 Scaling Laws，現在大模型也講這個。從頭做一家核聚變創業公司，不能只看到問題《晚點》：你在 2016 年創辦了一家叫碩橙科技的公司，主要產品是你們研究託卡馬克裝置時衍生的技術，用聲波檢測機器狀態。那個時候，跟你們路線相近的託卡馬克能源已經成立 7 年，Helion 也成立 3 年。你爲什麼不直接創業做核聚變呢？譚熠：16 年的時候，我們確實知道國際同行在做核聚變公司。但我們不知道國內資本市場是什麼樣的態度，連創業都是第一次有想法，對創業的環境、過程、可能會遇到的問題完全沒有認識。星環聚能這套技術路線，當時也沒有完全形成，先借助碩橙將聚變衍生技術用到工業領域，也是挺好的一件事。《晚點》：後來發生了什麼，讓你覺得可以做一個聚變公司？譚熠：碩橙科技的創辦和發展是很重要的鋪墊。碩橙是一個從想法到產品的完整過程，也讓我更多地基於用戶需要思考和解決問題。2018 年-2020 年的時候，碩橙已經完成前幾輪融資，也有一些比較熟的投資人會經常溝通。21 年，投資人朋友認爲中國的風投市場能夠容納聚變公司。我們的技術路線也準備好了，也反覆地跟海外同行比較過，優勢非常突出，所以決定創辦星環聚能。《晚點》：國內做核聚變的研究機構不多，做成商業公司更少。創辦星環聚能的時候，你們從哪去找合適的人？譚熠：清華大學有個運行了 20 年的小球形託卡馬克裝置，雖然它是世界上最小的託卡馬克之一，但也是一個完整的託卡馬克，該有的部件都有。我們的核心團隊都是這個實驗室出來的博士，他們聰明能幹，而且在這個裝置上面已經有五六年的實戰經驗。他們組成公司的科學家團隊，把聚變的物理問題轉換成普通的工程問題，比如將聚變等離子體的控制問題，轉換爲要在何處加設多少匝線圈（機械工程），通過多大電流（電氣和電子工程）的問題。這些方向專業的工程技術人才，我們在市場上正常去招就行了，選擇餘地也比較大。《晚點》：從頭做一個核聚變裝置大概是怎樣的過程？譚熠：你得先明確物理目標，主要是電子密度、溫度、能量約束時間、等離子體電流、磁場、等離子形狀等等要達到什麼地步；設定這些目標後，要做物理設計，需要多大的真空室、多大的磁場線圈、位置怎麼放、每個線圈電流多少；物理設計結束以後，進入工程設計階段，把剛纔的這些物理指標變成一個可加工、可安裝、便於維護的機械實體；然後就開始組裝，建設配套的電源和控制系統，之後開始調試；最後就運行，獲得第一等離子體，然後不斷優化，把它提高到目標的參數上去。《晚點》：聽上去核聚變行業沒太多的秘密。譚熠：大的原理大家都清楚。包括我們這個技術路線，一說出去，同行一聽也知道大概是怎麼回事。當然，細節上會有哪些坑，要怎麼處理，就只能你自己去操作才能夠感受，才能夠解決。建設和運行裝置時，我們吃了很多苦頭，各種困難層出不窮，有段時間每週都在出問題。星環聚能建成的第一代核聚變裝置。圖片來自星環聚能。《晚點》：如果把核聚變發電當做一個 100% 的進度條。星環的第一代裝置，點亮等離子體、加熱到 1700 萬度，意味着走了多少？譚熠：如果完全看參數，進度條就是 20% 還不到。畢竟要到 1 億度，才能達到核聚變反應條件。但是時間上倒不一定，不管是我們，還是其它研究院所或者是企業，一代裝置和下一代裝置之間的性能提升都是指數級的。按照我們的設想，下一代裝置應該能達到 Q 大於 1 甚至 Q 大於 10 的程度。《晚點》：Q 值大於 10，行業裡沒有任何一個裝置做到過。你們的信心來自哪？譚熠：來自於剛纔說的定標律。《晚點》：什麼時候建成？譚熠：按照我們路線圖，希望 27 年能建成。我們也坦誠，可能會有一些意外，有些技術可能需要更多時間研發。[圖文:wuhan.bag0755.net]到目前爲止，我們還是朝這個目標努力。《晚點》：不會有困難或技術障礙嗎？譚熠：單純根據定標律來走，其實沒有太多困難。麻煩的是，定標律最高也就到 JET 這個參數（5.2 秒核聚變），真正到 Q 大於 10，是 ITER 這個指標。JET 之下，數據點非常密集，大家認爲定標律是相當可信的。但 JET 之上到 ITER 其實有一段空白。這個空白區域，是不是仍然符合定標律，大家有些不太確定。中間有空白，悲觀的人當然可以往壞了想。但作爲一個創業者，我會往好了想，裝置真的做那麼大{出處:wuhan.aaodd.com}，性能很有可能是優於定標律的。等離子體已經表現出來好幾次這種特質，你很絕望的時候，它總是會產生一些你完全沒預料到的現象，表現得比預期更好。《晚點》：建這樣一個裝置，有公司說要花 35 億元人民幣。你們說只用 12 億元就可以幹出來，爲什麼？譚熠：我們的技術路線省了很多額外設備，加熱、電流驅動這種都不要了，可以大幅降低成本。通常來講，一個託卡馬克裝置，它的電流驅動和輔助加熱系統，【來源:wuhan.mp660.com】成本可能要比主機高不少。我們的尺寸比強磁場託卡馬克路線還要小，這也能降低成本。《晚點》：就算是 12 億，也超出星環現在融到的錢。你們融資順利嗎？譚熠：我們每天都會去接觸各類投資人。我們面臨的現實情況是，國外沒有其他公司跟我們的方案完全一樣，或者直接點，就是美國人沒有這樣的方案。我們要額外向投資人介紹，爲什麼沒有美國人走，我們的路線可以實現。那些與美國人方案類似的公司融資時，反倒不需要做這些。創新要成體系才行。我們的創業者、科學家已經有足夠多的原始創新時，希望投資人也有這個膽識，敢投這種美國公司沒有投過的技術路線。《晚點》：你們想過核聚變能發電後怎麼變現嗎[圖文:wuhan.szjysdz.com]？直接賣給電網？譚熠：讓電力上網，其實有很嚴格的手續，但我持樂觀態度。如果不上電網，就比較自由開放，很多民營公司都有自備電廠。國內有一些數據中心的運營方、電動汽車和電池廠商，都可能有潛在的需求，比如電動車出廠時要充滿電{出處:wuhan.fensishu.com}，他們認爲從電網上買有點貴。我們的反應堆比較緊湊，也可以放在十萬噸級以上的船上面，這也是一個很大的應用場景。《晚點》：星環運營這 2 年，你對核聚變更樂觀了嗎？譚熠：樂觀了。我親身體會到，資金支持力度上來，管理體制做了企業化改變以後，速度快了很多。商業化運行這兩年取得的成果，可能比我之前 20 年取得的都多。從我個人角度講，這個事情商業化後，就是一條沒有回頭的路了。這個過程可能會有些不確定，可能會遇到一些麻煩，但不管怎麼着，都得把它給解決掉。這是一個現實要求。《晚點》：普通人用上核聚變裝置發的電，還得多長時間？譚熠：按照我們的計劃，十年左右。題圖：譚熠在清華大學實驗室中接受訪談，由晚點作者拍攝。