融合金融:私人资本能带来能源圣杯吗?

在围绕气候变化的对话中，经常重复的一句话是，没有什么灵丹妙药可以阻止即将到来的威胁。如此多面、复杂的问题要求我们文明的几乎每一个方面都做出改变，从我们吃的食物、我们住的房子到我们旅行的方式。尽管如此，一种充足的、按需的清洁能源——虽然可能不能解决我们星球上的所有问题——将是一个相当好的开始。

这就是核聚变技术的前景。理论上，这种传说中的技术几乎可以在一夜之间使能源行业脱碳。核聚变发生在恒星的核心，氢原子融合在一起形成氦，在这个过程中释放出巨大的能量。至少可以说，在地球上复制这一过程是一个挑战。恒星中心的巨大引力意味着核聚变可以在大约1000万开尔文的相对温和的温度下发生。在地球上，温度是所需温度的十倍。

考虑到科学和工程上的障碍，再加上所提供的奖励的深奥性质，世界各国政府在核聚变问题上走到一起就不足为奇了。位于法国的ITER(国际热核实验反应堆)是迄今为止最大的项目，一个250亿美元的反应堆将于2025年投入使用，并证明从核聚变中获得的净能量可以在地球上实现。有了中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国的参与，这是一个巨大的泛全球科学合作，充满了希望和期待。

人们对此很感兴趣，很兴奋，所以现在我们必须利用它

但世界上的超级大国并不是唯一应对这一问题的国家。在过去30年左右的时间里，受到核聚变的变革潜力和随之而来的经济机会的诱惑，数十家私营公司如雨后春笋般涌现。2021年10月下旬，英国原子能管理局(UKAEA)和核聚变工业协会(FIA)发布了第一份关于这一私营部门的报告，指出总投资总额为19亿美元。

在报告发布后的短短几个月里，这一数字翻了一番多。该公司已宣布了几笔重大交易，包括美国初创公司Helion Energy的5亿美元E轮融资(另外17亿美元与未来里程碑挂钩)。紧接着，麻省理工学院(MIT)分拆出来的Commonwealth Fusion Systems (CFS)宣布在比尔•盖茨(Bill Gates)和乔治•索罗斯(George Soros)的B轮投资中获得18亿美元。这些资金的涌入与等离子体温度超过1亿度等技术突破同时出现，这表明能量的增加和商业聚变可能最终是可以实现的。

国际汽联首席执行官安德鲁·霍兰德(Andrew Holland)告诉《工程师》杂志(The Engineer):“人们对此很感兴趣，很兴奋，所以现在我们必须利用它。”FIA总部位于华盛顿特区，成立于2018年，但直到2021年5月才注册成立，随着聚变创业公司的发展势头和风险资本的涌入，FIA逐渐扩大了业务。作为代表私营部门的机构，该机构的职责是建立公私关系，推动建立合理的监管框架，提高规模虽小但发展迅速的核聚变生态系统的知名度。霍兰德说:“我从事核聚变研究已经有十年了。他说:“很长一段时间以来，国会和白宫的高层都没有太大兴趣。但我认为这种情况正在开始改变。”

许多读者无疑都知道，有一个流传已久的笑话说，核聚变注定要在30年后才能实现。几十年来，“明天就会堵车”的批评一直困扰着该行业，这种说法给该行业带来了不小的负担。霍兰德说:“即使是在核聚变科学领域的一些人，甚至更多，他们都有过去30年的伤疤。”

但今天的核聚变科学家和企业家正致力于让这个古老的笑话成为历史。霍兰德说，在国会山，问题与其说是伤疤，不如说是对核聚变的认识和理解，尽管美国政府支持这项技术已经超过半个世纪了。最近的大笔资金将有助于吸引华盛顿的投资者，同时也会吸引纽约和硅谷的金融大棚，这是融合金融新浪潮的发源地。很难不将其视为一个拐点，随着相关交易登上《金融时报》(Financial Times)和《华尔街日报》(Wall Street Journal)的头条，这项技术终于接触到了大型风险投资。

Helion Energy成立于2013年，总部位于华盛顿州西雅图附近，是最近登上头条的公司之一。该公司的第六代核聚变反应堆Trenta的脉冲非点火聚变技术已经达到了1亿度等离子体。

Helion的首席商务官斯科特·克里西洛夫告诉《工程师》杂志:“我们早些时候(2021年)宣布，我们的原型温度达到了1亿度，我们是有史以来第一家达到这一温度的私人机构。”“这非常重要，因为这表明我们已经证明了在我们的设备中实现商业相关聚变温度的能力。”

与ITER开发的稳态托克马克反应堆和许多私营部门开发的反应堆不同，Helion采用了不同的方法。托卡马克利用高温超导(HTS)磁体尽可能长时间地限制和维持超热等离子体，利用捕获的热量来驱动蒸汽轮机，就像传统的热力发电一样。相比之下，Helion的脉冲反应可以通过装置核心的聚变反应引起的磁场变化直接捕获电能。

“Helion方法的不同之处在于我们能够直接从聚变反应中获取电能，”Krisiloff解释道。“我们有两个等离子体，它们被限制在一个反向的场中，我们用磁力向彼此发射它们。它们在机器的中心碰撞，然后我们用另一个磁场将它们压缩到聚变条件。”

由于等离子体本身是磁化的，当核聚变发生时，它会向后推机器的磁场，产生直流电。根据Helion的说法，这种优雅的电力捕获方法也比热能发电更有效。

“这是法拉第定律——与驱动电动汽车能量回收的原理相同，”Krisiloff继续说道。“当等离子体在机器磁场上产生电场变化时，就会产生电流。“使用这种方法，我们能够从反应中获得95%的能量，这意味着我们能够在较低的聚变条件下产生净电力。”

商业化是Helion所做的一切的基础，并明确关注净电力收益。在Trenta达到了100亿度之后，该公司已经破土动工了第七个原型机北极星。最近一轮22亿美元的投资——其中17亿美元附加在未来的里程碑上——基本上将为北极星的建设提供资金。Helion表示，北极星将在2024年产生净电力。按照计划，这个50MW、集装箱大小的装置将成为2030年代早期大规模推出核聚变反应堆的蓝图。“第一个5亿美元实际上是用来建造北极星的，”克里斯洛夫说。“这额外的17亿美元，实际上是为了实现商业化……能够建造超级工厂和类似的东西，以便大规模生产。”

根据国际汽联的霍兰德的说法，随着技术里程碑的到来和商业融合的前景越来越近，这类交易将变得越来越频繁。随着风险下降，投资蜂拥而至。考虑到全球能源市场的规模，核聚变领域的领先公司开始获得数十亿美元的估值也就不足为奇了，尽管电网能源可能还需要至少10年的时间。霍兰德说:“仅在美国，能源市场每年就有1万亿美元。“从长远来看，核聚变没有理由不能占很大一部分。“这就是这些公司的发展轨迹。在私营企业，如果你实现了自己的目标，达到了你为自己设定的里程碑，并与投资者建立了联系，那么下一步就是扩张。更多的钱流入是因为风险更小。所以这是受欢迎的，令人兴奋，是一剂强心针，但与此同时，这并不是凭空而来的。”

与Helion的脉冲方法相比，CFS——另一家最近获得大量资金支持的美国公司——专注于更“经典”的托卡马克聚变方法。2021年9月，其新的大型HTS磁体产生了20特斯拉的磁场强度，这是有史以来最强大的磁场。“这是一个重要的时刻，”CFS首席执行官Bob Mumgaard当时告诉麻省理工学院新闻。“由于对这些机器进行了数十年的研究，我们现在拥有一个在科学上非常先进的平台，而且在商业上也非常有趣。它能让我们更快、更小、成本更低地制造设备。”

去年12月，该公司扫清了这一重大科学障碍，获得了一轮18亿美元的投资。该公司目前正在研究一种名为SPARC的演示设备，预计将于2025年上线，并实现净能源收益。它的继任者ARC将是一个200兆瓦的聚变发电厂，旨在在21世纪30年代初发电。

在英国，牛津大学(Oxford)的托卡马克能源公司(Tokamak Energy)正在规划与CFS类似的路线，其紧凑的球形托卡马克也依赖于高温超导磁体。2021年9月，该公司宣布已经开发并测试了“部分绝缘”，这是一种新技术，可以在发电厂规模上建造这些磁铁，比用于在极端温度下保护高温超导磁铁的传统系统更简单。

自2009年成立以来，托卡马克能源公司已经吸引了2亿美元的资金，是英国最大的私营聚变公司，也是全球最大的聚变公司之一。尽管在美国看到的巨额资金在欧洲尚未复制，但这对该公司来说是个好兆头，因为它的做法与CFS非常相似。托科马克能源公司联合创始人兼执行副董事长大卫·金汉姆博士告诉《工程师》杂志:“这是个非常好的消息。”“我们看到了很多投资者的兴趣。我们与慢性疲劳综合症有一些共同点。我们用的是同类型的高温超导材料。我们在磁铁的设计上有一些不同，但这在一定程度上与托卡马克的形状有关。我们要做的是更压缩的球形托卡马克形状它有一些物理优势，也有一些稍微不同的工程挑战。但基本上我们同意CFS的观点，即紧凑型托卡马克——无论形状如何——都是正确的方向。”

与美国同行一样，托科马克能源公司的进步可以用技术里程碑来衡量。自2018年上线以来，它的ST40原型机一直在稳步提高等离子体温度，第一年就达到了1500万度，并逐渐朝着神奇的1亿度迈进。金汉姆说:“我们正在接近这个目标。“在我们目前的原型中，100度是一个很大的刻度。如果我们能把它推得更高，我们会的。然后我们需要把氘引入到装置中这会产生一些聚变反应。这将在明年(2022年)进行。然后我们需要增加等离子体的密度，然后我们想要增加第三个参数，所谓的能量约束时间，看看我们能把它推多远。“我们(在2022年)获得的另一个重大里程碑是我们的新磁体系统，我们新的高温超导(HTS)磁体系统。这是扩大我们已经开发的技术，但对于磁铁工程师来说，扩大规模是一个巨大的挑战，因为它增加了磁铁中的储能。”

到2050年，每个国家都不可能实现脱碳。他们中的许多人甚至不会尝试。所以必须采取其他措施

这些新的HTS磁体将部署在ST40上，并在未来几年进行广泛的测试。从那里开始，托科马克能源公司计划在21世纪30年代初开发一个试点规模的工厂，该工厂将向电网供电，但主要是作为一个示范，使用寿命有限。一旦电网级别的电力能够得到验证，挑战将转向大规模生产核聚变反应堆——考虑到工程的复杂性，这绝非易事。当然，所有这些都需要时间和金钱。金汉姆说:“我们将在2022年筹集大量投资。”“目前我们确实看到了大量投资者的兴趣。在过去的两三个月里，它真的加速了。我们有很多股东和投资者，但我们希望在2022年进一步扩大，这样做的机会显然非常非常好。”

对金厄姆来说，这条路尽头的奖赏不仅事关经济，也事关生死存亡。尽管可再生能源正在迅速发展，但在地球消耗的能源和我们用零碳方式生产的能源之间仍然存在巨大的鸿沟。“到2050年，每个国家都不可能实现脱碳，”金汉姆说。“他们中的许多人甚至都不愿尝试。所以必须采取其他措施。对我来说，工程解决方案将是至关重要的，因为说服人们少用能源不太可能奏效。”

由于全球能源需求只朝着一个方向发展，核聚变也许是我们大规模快速脱碳的最大希望，有可能解决气候难题的主要部分。这可能不是我们所有人都想要的灵丹妙药，但它肯定能帮助我们摆脱困境。