迎着风口看上海新质生产力① | 挑战“能效比”，探路可控核聚变商业化

科技

编者按

人形机器人瞄准量产销售，脑机接口开启临床试验，低空

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 编者按
 人形机器人瞄准量产销售，脑机接口开启临床试验，低空经济“迎风起飞”……新的一年，一系列上海为“明天”投资的前瞻布局正加速落地应用，一批前沿和颠覆性技术正加速转化为新质生产力。
 新质生产力的形成关键靠科技创新，未来健康、未来智能、未来能源、未来空间、未来材料这五大未来产业是上海重点聚焦、三五年内有望诞生“核爆点”的科创领域，也是孕育、形成和释放新质生产力的重要载体。
 本报记者迎着未来产业的风口走访一批扎根上海的代表性企业，聆听这些年轻公司和青年创业者的新年新愿，从一个个年度“小目标”中窥探未来产业从实验室到市场、从科幻到现实的拔节生长，记录上海不断壮大发展新动能、培育新质生产力的生动实践。
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 “洪荒70”装置的磁体系统。
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 在探索人类终极能源解决方案——可控核聚变的道路上，除了国际热核聚变实验堆（ITER）、东方超环（EAST）等“国际队”“国家队”外，一家扎根上海临港的年轻公司能量奇点正蓄势待发。
 成立不到3年，员工数量只有ITER的1/10，能量奇点却有一个大到近乎“不切实际”的目标：研制出Q（聚变能量增益因子）大于10的高温超导托卡马克装置，在10到20年内实现可控核聚变的商业化。目前，人类能够达到的最大Q值是1.53。
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 能量奇点“洪荒70”高温超导托卡马克装置的12个环向场（TF）磁体与真空室、内冷屏成功套装成环。
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 今年对能量奇点来说至关重要，摆在它面前的是两扇“龙门”：建成全球首台全高温超导托卡马克装置“洪荒70”并点亮等离子体，建造全球磁场强度最高的聚变装置磁体。越过这两扇“龙门”，人类距离“人造太阳”的目标将迈进一大步，许多受制于能源无法解决的难题都将迎来大幅度突破。
 冷门赛道热起来，剑指高性价比“小甜甜圈”
 自上世纪50年代世界第一颗氢弹爆炸后，人类对可控核聚变能源就充满了期待。目前，该领域有两类研究方向：一类是惯性约束核聚变，另一类是磁约束核聚变。托卡马克是最先进的磁约束核聚变装置，外形如同一个甜甜圈。
 Q&gt;1，即输出的能量大于维持反应所需输入的能量，是论证可控核聚变科学可行性的第一步。早在上世纪90年代，全球已有数台托卡马克装置接近这一目标。于是，更多人把目光投向Q≥10，ITER与联邦聚变系统（CFS）公司作为全球两家代表性机构已经走在前面，前者是人类史上最大的科学合作项目，后者是一家来自麻省理工学院的创业公司。
 尽管瞄准的都是Q≥10，但两家机构的技术路线不同。能量奇点首席运营官叶雨明告诉记者，ITER采用的是低温超导技术路线。这是因为在ITER开始建造的2007年，能大规模商业化量产的超导材料主要是低温超导材料，而这种材料的临界磁场强度相对较低，这也决定了ITER只能通过提高体积的方式来提高聚变增益。ITER是一个高30米、直径28米、重达2.3万吨的巨型“甜甜圈”，昂贵的建造和运行成本让它的商业化前景存疑。
 随着第二代高温超导材料钇钡铜氧的大规模量产，做“小甜甜圈”成为可能。钇钡铜氧可在液氮温度77K（-196℃）实现超导，而且在更低温下工作时，可提供更高的电流密度、实现更强的磁场。
 2018年，CFS提出了Q≥10的小型化高温超导托卡马克装置设计图，直径为ITER的1/4，体积仅为其1/50。该项目去年启动，建造周期为4年。“冷门”的核聚变商业化赛道不知不觉“热”了起来。
 2021年3月，33岁的资深投资人叶雨明遇到了刚满30岁的斯坦福大学理论物理系博士杨钊，两人一拍即合。3个月后，能量奇点公司在上海注册成立。
 短短一年多，这个赛道涌入的不止他们。截至去年4月，全球已有44家聚变企业完成创建，仅2022年就创立了9家公司。“我们想以最低成本实现Q≥10。”能量奇点联合创始人、首席执行官杨钊说。
 2024点亮“全球首台”，2027实现“全球最小”
 自成立以来，能量奇点一直保持着低调，但热心网友却从公司的推文中与他们一起同步兴奋：“洪荒70”托卡马克首个环向场线圈磁体研制完成、首个中心螺线管线圈研制完成、主机系统交付、局部螺旋磁通注入系统测试成功……如无意外，公司今年将实现全球首台全高温超导托卡马克装置的成功运行。
 “‘洪荒70’直径约3.6米，全部磁体系统均采用高温超导材料建造。此前，世界上还没有一台全高温托卡马克装置，我们想验证它的可行性和运行稳定性。”叶雨明说。
 经天磁体是能量奇点今年要攻克的另一个难关。这个状如字母D的磁体，将要完成公司下一代托卡马克装置“洪荒170”中技术难度最大的核心零部件的技术验证，也是能否实现Q≥10的关键。叶雨明用一个“同行”案例解释了它的重要性：2021年9月，CFS研制的高温超导磁体实现了超过20T（特斯拉）的强磁场，3个月后他们就完成了18亿美元融资。
 从设计来说，能量奇点比CFS更“大胆”——经天磁体的最高磁场强度高达25T，这也要求在工程和工艺上更加激进。过去一年，能量奇点已经完成了经天磁体的概念设计、仿真和工程设计，目前已开始加工第一个磁体绕组。
 “加工难度非常大。”叶雨明说。比如，公司花了半年时间解决在焊锡浸渍工序中高温超导带材性能衰减的问题，实现了带材经过焊锡浸渍后临界电流几乎不衰减。
 如果经天磁体能够如愿实现25T强磁场，那么“洪荒170”大概率会成为世界上最小的Q≥10的托卡马克装置。这是能量奇点的“第二步”，预计要到2027年完成。
 背靠上海产业支撑，10年内将会迎来“聚变”
 在下决心投身可控核聚变之前，叶雨明担心自己这一步是不是迈得太大了。毕竟，他以前的投资领域与核聚变毫不相关，更何况这条赛道上还流传着一个“永远50年”的传说——上世纪50年代开始，科学家就告诉公众可控核聚变还有50年即可商用，但之后的每次演讲都停留在“还有50年”。
 但跨出第一步后，叶雨明看到了不一样的风景。“在可控核聚变研发的前35年，托卡马克等离子体的性能提升速度比CPU芯片还要快。”他说，全球已有40多家聚变能源创业公司累计获得了60亿美元融资。2022年2月，米哈游联合蔚来资本领投了能量奇点，此时距离公司成立只有8个月。
 在选择公司落脚点的时候，杨钊和叶雨明不约而同想到了上海。这是因为上海有完备的核工业体系以及全球人才优势。当能量奇点“悄悄”在微信公众号上发布第一篇推文，一个个电话随之而来。“上海市科委、经信委、核电办等政府部门都来问我们需要什么帮助。”叶雨明回忆说，当时公司甚至还没选好场地，没有一张图纸，所有的“家当”只有4位创始人。
 后来的事实证明，上海的核工业和高温超导材料产业为能量奇点的迅速推进提供了关键支持。以“洪荒70”为例，绝大部分高温超导带材来自上海超导科技股份有限公司，关键机械部件加工则交给了上海电气核电集团，装置总体安装由中核五公司承接，装置的环境和辐射安全评估由上海核工院负责……去年，市科委、市经信委和临港新片区管委会，为公司提供了累计超千万元的经费支持。
 根据美国国家科学院2021年发布的聚变能源路线图，聚变发电入网将于2035-2040年实现。对于聚变能源的商用进度，杨钊更为乐观：“估计10年内，这个行业就会迎来‘聚变’。”
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 文：本报记者&nbsp;沈湫莎 
 图：袁婧 
 编辑：傅璐 
 责任编辑：任荃
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