核能简介

原理

核能发电(Nuclear power)是一种利用具放射性的金属(主要是铀)进行核裂变反应作为热源来发电的电站。核能发电主要运作是利用中子撞击铀原子核，通过控制棒调节铀燃料裂变的连锁反应。当铀原子核裂变时会释放大量能量，这些能量将水转化为蒸汽。与其他热电厂一样，利用热能驱动蒸汽涡轮机并带动发电机发电。

核能是主要能源

国际能源署(IEA)数据显示，2022年核能占全球发电来源的9%。

主要优势

核能的主要优势是发电过程不排放温室气体，因此核电一直被视为化石燃料的替代方案。国际能源署(IEA)数据显示，在过去50年里，核能的使用减少了约700亿吨的二氧化碳排放。

主要的缺点

核能发电会产生具有放射性的核废料，以目前的科技水平尚无法完全处理。自1951年核电站开始发电以来，全球已产生约46万吨的核废料，这些废料可以整齐地放置在一个美式足球场内，大致相当于一块12层楼高的立方体。

核电站建设成本高昂，技术门槛高，维护成本也高。然而，在控制良好且应急系统完善的情况下，核电站是相当安全的设施。

三大核能事故使发展受阻

核能发电曾因美国三哩岛、乌克兰切尔诺贝利和日本福岛核事故，以及反核人士的主张而受到重大影响，其发展相较于其他能源类型更为曲折。

风向改变

Business Insider报道指出，2011年福岛第一核电站事故后，国际社会加速废核进程，导致铀需求陷入长达十年的低迷。但随着极端天气事件增多以及各国积极推进清洁能源转型，核能因其不受天气条件影响的稳定供电能力，重新成为热门选择。

核能不完美，但必需

在2023年11月的联合国气候大会(COP29)上，会议共识之一是“如果不大幅增加全球核电，世界将无法实现能源转型”。美国及其他20多个国家已承诺到2050年将核电产能增加两倍，以实现净零碳排放并应对气候变化。

尽管清洁能源在过去十年蓬勃发展，但人们越来越认识到需要可靠的清洁电力来支持风能和太阳能，而核能是少数能在风能和太阳能不可用时持续供电的清洁能源之一。

核能发电趋势

目前所用的技术

目前最新且已投入商业运营的核能发电技术是第三代核电机组。

第四代核能技术

简介

第四代反应堆(Gen IV)是一系列处于研究阶段的理论反应堆设计，其特点包括可持续性、经济性、安全性与可靠性，以及防扩散性。多数设计预计在2030-2040年前难以投入商业运营。目前商业运营的反应堆以第二代为主，第三代仅有十几个，第一代已基本退役。

中国第四代核电机组已商转

2023年，山东荣成的华能石岛湾高温气冷堆核电站完成168小时连续运行测试，正式投入商业运营，成为全球首座第四代核电机组。

著名案例

比尔·盖茨于2006年创立了致力于第四代核能技术的泰拉能源公司并担任董事长，旨在推广行波堆技术。该公司曾计划在中国建设首个示范项目，并与中核集团和中国神华集团密切接触。然而，2020年，因美国政府干预，泰拉能源单方面终止合作，导致项目中止。

小型化核反应堆

小型模块化反应堆(SMRs)的电力输出低于300MWe，可在工厂批量生产后运输至现场安装。它们具有结构简化、安全性高（采用被动安全系统）及人员需求少等优点。2020年，美国批准建设12座小型商用反应堆，以提高核能转化效率。

核能发电主要供应商

俄罗斯国家原子能公司

俄罗斯目前主导国际市场，截至2022年中期有20座机组在建（其中17座位于7个国家）。Rosatom是国有公司，由360多家企业组成，业务涵盖核能全产业链。它是俄罗斯最大的发电企业，2019年发电量占全国19.7%，并在海外拥有最大的核电站建设订单（12个国家共36座核电站）。

中国广核集团

2021年，因中西关系恶化，英国政府将中广核排除在未来的电力建设项目（如Sizewell C核电站）之外。中广核原计划参与英国多个核电项目，并采用其“华龙一号”第三代技术。

其它

由于技术门槛高、成本高昂，目前仅有少数公司能在海外承建核电站，包括：

• 法国电力公司(EDF, 美股代码: ECIFY)

• 韩国电力公社(KEPCO, 美股代码: KEP)

• 通用电气日立核能(GEH, 未上市)

• 西门子(SIEGY)

• 西屋公司(Westinghouse, 未上市)

各国的核能使用情形

全球统计

国际原子能机构(IAEA)预计，到2050年全球能源消耗将增长约30%，用电量将翻倍。目前煤炭发电占比仍达35%，但核能、可再生能源和天然气发电比例正迅速增长。截至2022年底，全球32个国家有411台在运核电机组，总装机容量371GW；18个国家有58台在建机组，装机容量59.3GW。

法国

法国是全球核能发电比例最高的国家，2021年核电占比达69%。尽管政府曾计划削减核电比例，但现有政策转向支持核电，包括延长现有电站寿命、投资新建6-8座EPR2反应堆，并计划到2050年新建最多14座反应堆。

欧盟

欧盟约25%的电力来自核电，共有12个国家运营100座反应堆，总装机容量97GW。其对核电的依赖预计将持续。

美国

美国拥有93座反应堆，核电占比近20%。但反应堆平均年龄达41.6年，效率相对较低。2022年，美国政府推出60亿美元计划支持现有核电站运营，以应对气候变化。

中国

中国是核电建设的领导者，有21座反应堆在建（远超其他国家），总装机容量超21GW。目前有54台机组在运，总装机容量56.82GW，全球排名第三。预计到2035年，核电占比将升至10%，2060年达到20%。

日本

世界最大核电站——柏崎刈羽核电站位于日本新泻，拥有7座反应堆，装机容量达8.2GW。

核聚变简介

核聚变发电的机制是通过原子核之间的融合来获取能量。不燃烧化石燃料，不产生二氧化碳。作为燃料的重氢(氘)等可从海水中提取。现有核电站产生的高放射性废弃物不会在核聚变发电中产生，这是其优点，被视为实现脱碳社会的"杀手锏"新一代能源。

基本原理

聚变发电是类似氢的较轻原子核相互融合、形成氦等较重的原子核的反应，可以用较少的燃料产生巨大的能量。理论上，1克燃料产生的热量相当于一油罐车约8吨石油，达到目前核电站核裂变反应的4倍。

太阳就是使用核聚变

太阳也是通过聚变反应释放巨大热量，因此聚变反应堆被称为"人造太阳"。由于核聚变燃料及其原料存在于海水中，资源供应担忧较少。只要停止燃料供给，反应很快就会停止，因此与传统核电站相比，安全性更高。

如何产生能源？

借助核聚变反应产生的热量，利用水制造蒸汽，推动涡轮机旋转，就可以发电。核聚变发电与燃烧石油和天然气的火力发电不同，不排放二氧化碳，因此也成为脱碳的王牌。

核聚变最新的发展

核聚变使用的主要技术

核聚变有多种方式，大致分为两种：

第一种是利用磁场封闭燃料——氢等离子体(电离气体)的"磁场方式"。在实用化方面，磁场方式技术目前遥遥领先。

第二种是利用激光等的作用封闭燃料的"惯性方式"。美国能源部下属研究所2022年12月发布的"净能量增益"成果属于这种技术。

核聚变的优点

核聚变的优点至少有以下几点：

第一，产生核聚变反应的原料充沛；作为燃料的氢同位素在地球上相对丰富，"氘"可从海水中提取，而"氚"可从核聚变反应本身产生的中子生成。

第二，安全性高，原料不会爆炸，发生类似日本福岛核事故几率低，没有反应堆熔毁的风险，且无核武扩散疑虑。

第三，不排放温室效应气体。

第四，核聚变产生的低放射性副产物数量低，在百年后便将降至安全剂量值以下。相对于传统核裂变反应堆产生的辐射污染物，核聚变生成的放射性废料寿命很短。

第五，巨大的能量效率。理论上，1克燃料产生的热量相当于一油罐车约8吨石油，达到目前核电站核裂变反应的4倍。

目前发展最新的进度

为了到2030年代实现商用化，核聚变技术开发正在逐渐取得进展。美国能源部2022年12月宣布，实验中生成的能量超过了为产生核聚变而投入的能量，是一项核聚变重大的里程碑。

企业方面也采取了行动。微软(美股代码:MSFT)与涉足核聚变发电的美国初创企业Helion Energy(美股代码:HLEO)签署了合约，计划从2028年开始的电力购买协议。据称这是世界上首次签署核聚变的售电合约。

美梦何时成真？

产业人士在2024年5月时表示，在技术取得重大进展和民间大举投资激励下，美国核聚变领域有望在10年内开始商转发电，并于2030年代连结至电网。

根据核聚变产业协会(FIA)调查，全球约2/3初创公司认为，第一座核聚变发电厂最晚将于2035年连结至电网。

著名的民间相关企业

核聚变发电有多热门？

核聚变发电成热议话题，根据国际原子能机构(IAEA)在2022年底的统计资料，目前全球核聚变装置共133座，美国囊括近1/4数量。其中，建造和规划中共39座；以国家来看，美国最多31座，白宫在2020年和融项目投入经费达6.71亿美元以上。另依次为日本、俄国、中国、英国，皆以政府资助为主，少数由私人公司资助。

上市企业

因为核聚变目前尚未商业运转，全世界目前并没有以核聚变为主要业务的企业上市。但最接近上市的一家是Oklo。

Oklo是一家由OpenAI首席执行官阿尔特曼资金支持的核裂变初创公司，2023年7月时透露计划通过与阿尔特曼旗下的特殊目的收购公司(SPAC)合并上市。

已有不少初创公司

自2010年代后期以来，全球出现了许多核聚变初创公司，募集到巨额资金，其中大部分是私人投资。还出现了被称为三强的企业，力争到2030年代投入实用。其中之一的英国托卡马克能源公司2022年3月在企业之中首次实现了核聚变反应所需的1亿摄氏度的等离子体。为了长时间保存放入球状容器的等离子体，将致力于开发使用强力超导磁铁的技术，到2026年将建设实验反应堆。

中核集团

中核集团在2023年7月已与中国第一家聚焦聚变能开发的商业公司(媒体猜测可能是能量奇点这家公司)正式签订了全高温超导核聚变装置总装合约，承建全球首个全高温超导核聚变实验装置。这个全高温超导核聚变实验装置即属于托卡马克路线，完成后将成为全球首台建成运行的全高温超导托卡马克装置。

而中核集团也实际负责研发制造国际热核聚变实验反应堆(ITER)里面最重要磁体支撑磁体支撑产品，这是ITER重要结构安全零件之一，负责支撑整个热核聚变实验堆反应堆的核心装置——磁体，其质量和进度关系到整个ITER装置的运行稳定性和装配进度。

2023年8月25日新一代人造太阳"中国环流3号"取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新中国磁约束聚变装置运行纪录。此次突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等关键技术难题，是中国核聚变能开发进程中的重要里程碑。

中核集团核工业西南物理研究院科技委主任刘永说："我们中国聚变团队，处于国际上的第一方阵，在大部分领域实现了并跑，在部分领域实现了领跑"，"预计在新中国成立100周年(2049年)的时候，聚变能可以走进千家万户。"

能量奇点

能量奇点成立于2021年，是中国首家聚变能源商业公司，业务聚焦于开发高磁场、高参数、紧凑型高温超导托卡马克装置等。2024年前将实施第一步发展战略，研发和建设全球首台基于全高温超导磁体的紧凑型托卡马克实验装置。在2023年年底，能量奇点将结合高温超导先进托卡马克和人工智能技术，建造全世界第一台全高温超导托卡马克，探索紧凑高约束先进托卡马克运行模式。

能量奇点还计划，到2027年，设计、建造一个稳态、强磁场高温超导先进托卡马克，全面验证并奠定可高效获取聚变能的科学技术基础；到2030年，建设示范电站。

Commonwealth Fusion Systems

源自美国麻省理工学院的美国联邦聚变系统(Commonwealth Fusion Systems,CFS)已累计筹集超过20亿美元。是该产业募资最多的初创企业。该公司计划明年启用核聚变示范反应堆SPARC，并在2030年代初期启用首座核聚变发电厂。

Helion Energy

美国华盛顿州核聚变初创公司Helion Energy(美股代码:HLEO)甚至在2023年与微软签署供电合约，力争2029年前使发电量达到50MW。

Tokamak Energy

英国托卡马克能源(Tokamak Energy)则在提高核聚变反应效率的技术等方面增加专利申请数量，在数量上压倒其他企业。

General Fusion

加拿大General Fusion将使用一种用液态金属包裹和压缩等离子体的自主技术。该公司计划在2027年之前在英国启动实验性反应堆。

EX-Fusion

而源自日本大阪大学的初创企业EX-Fusion将在日本国内建设对反复发生激光核聚变反应的技术实施验证的全球首个实证反应堆，目标是希望2030年前能商业化。

企业的进度快于政府

三家企业分别筹集了2.5亿美元~20亿美元以上的资金，均力争在2030年代初期实现核聚变发电的商业化。如果成功实现，与日本、美欧、中国和印度等参加的国际热核聚变实验反应堆(ITER)计划瞄准的21世纪中期相比，实用化时程将大幅提前。

主要国家资助的发展

国家	主要成就，进度，计划
中国	相关专利排名全球首位。争取到2027年代启用具备发电能力的实验反应堆CFETR。相关计划规模超越ITER。
美国	美国联邦聚变系统公司使用超导磁铁。实验反应堆将于2025年投入运行。美国能源部长格兰霍姆2023年9月25日表示，希望在十年内打造可商业运转的核聚变设施。
英国	托卡马克能源公司2022年3月在企业之中首次实现了核聚变反应所需的1亿摄氏度的等离子体。
加拿大	加拿大General Fusion计划在2027年之前在英国启动实验性反应堆。
日本	日本量子科学技术研究开发机构(QST)与欧盟共同合作，全世界最大的托卡马克核聚变实验装置JT-60SA已在2023年12月落成并开始运作。

中国

中国的存在感也在增强。中国正在争取到2027年代启用具备发电能力的实验反应堆CFETR，比国际热核聚变实验堆的规模更大。日本调查公司Astamus根据在美欧中等30个国家和地区申请的相关专利，给竞争力评分后排出名次。结果显示，按申请专利的企业和研究机构的国籍来看，中国排在首位。2015年以后，中国大幅增加重要专利，超过了美国。中国科学院等拥有重要的专利技术。

中国有"人造太阳"之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)在2023年4月，创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，对探索未来的聚变堆前沿物理问题，提升核聚变能源经济性、可行性，加快实现聚变发电具有重要意义。

其实EAST在2022年1月就曾创下成功在摄氏7,000万度高温下维持17分钟之久的纪录。EAST设施过去已经将等离子温度升高到摄氏1.6亿度并持续20秒，并在2021年5月维持摄氏1.2亿度101秒，并在同年12月30日在7,000万度保持1,056秒纪录，2025年，“中国环流三号”首次实现原子核和电子温度均突破1亿摄氏度，标志着中国可控核聚变技术取得重大进展；全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）在安徽合肥创造新世界纪录，首次完成1亿摄氏度1000秒“高质量燃烧”。

目前核聚变技术最先进，发展也最积极的是中国。中国‘人造太阳’计划2027年竣工，有望成为人类历史上首个实现聚变发电的装置。 

美国

美国能源部在2022年12月宣布，位于加州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)的一次核聚变反应中，产出约3.15百万焦耳(MJ)的能量，约是激光所用能量2.05百万焦耳的150%，意即首度在核聚变反应达成产出的能量远高于引发反应所使用能量。是核聚变史上的重要里程碑，有助发展洁净能源。因为物理学家从1950年代就致力于研究核聚变反应，但所产生的能量始终超过融合反应所耗用的能量，亦即无法产生净能量增益。

但这只是一次性的瞬间反应。实用化需要进一步提高效率，让反应持续下去。该实验室主任金·布迪尔(Kim Budil)也在成果发布记者会上表示，商用化可能将在数十年后。初创企业是否有大量民间资金涌入、开发是否加速、实用化时间能否提前，将成为今后的焦点。

美国能源部在2023年5月31日宣布，8家研究核聚变能源的美国公司将获得4600万美元的资金，用于开发核聚变发电试点工厂。预计将在2035年至2050年之间的某个时候实现商用化。

ITER

目前世界上最大的国际核聚变研究计划由35国政府集资，已在法国兴建一座实验型核聚变反应堆国际热核聚变实验反应堆(ITER)计划，造价高达220亿美元，计划在2035年启动运行，发生核聚变反应并产生热量。ITER原先规划时就是30年计划，但依照目前进度，最快2025年才能出现实验结果，真正到商业运用最快也得等到2035年。

ITER的目标是从等离子体物理实验研究到大规模电力生产的核聚变发电厂，建成后将成为世界上最大的磁约束等离子体物理学实验场，同时也是目前建设中、世界上最大的实验性托卡马克(Tokamak)核聚变反应堆。

ITER寻求的是一种相对低风险但成本较高的融合方式，称为磁约束融合(magnetic confinement fusion)，当氢的两种同位素氘、氚原子于托卡马克环形反应堆内被超强磁场长时间挤压时，会被加热成等离子体。

日本

资金实力较弱的日本企业将在零部件的销售等方面寻找出路。接受三菱商事等16家公司出资的源自京都大学的初创企业Kyoto Fusioneering在2023年将向英国原子能管理局(UKAEA)交付核聚变研究反应堆的主要设备回旋振荡管。此外，还力争在从反应堆中提取热量的包层(blanket)等零件领域扩大市场份额。另一家企业Helical Fusion继承了日本自然科学研究机构核聚变科学研究所的技术，目标是推动稳定运转螺旋型的实用化，推进零件的开发等。

核聚变的投资

过去2年美国民间部门对核聚变领域的投资总额跃增一倍，到2023年底为止达到59亿美元相较下，公部门投资总额为2亿7100万美元。

创投业

根据市调机构Pitchbook数据，在2015至2021间，美国创投交易量成长54%，以美元计价交易额成长近3倍，其中核能领域交易量成长3.25倍，交易额激增逾36倍，同期气候领域交易量则成长2.14倍，交易额则增加近13.5倍!

私募基金

总部位于华盛顿特区的核聚变产业协会(Fusion Industry Association)已追踪50多亿美元的私人资金，有7家公司筹到至少2亿美元。而75%的核聚变筹资发生在这两年。

基金业

推特(美股代码:TSLA)和优步(美股代码:UBER)的早期风险投资人Chris Sacca成立了一家叫做Lower Carbon Capital的公司，推出一支核聚变基金，投资人包括企业、校产基金和家族办公室。Lower Carbon Capital的投资包括Avalanche Energy，后者的首席执行官Robin Langtry表示，该公司专注于小型系统，可用商用设备快速构建和测试。

著名的个人投资人

Open AI首席执行官阿尔特曼把职涯中最大的一笔押注放在更有未来感的公司：他已投资3.75亿美元在核聚变初创公司Helion Energy(美股代码:HLEO)。

除阿尔特曼外，贝佐斯(Jeff Bezos)、比尔盖兹(Bill Gates)、提尔(Peter Thiel)和马克·贝尼奥夫(Marc Benioff)等亿万富豪和科技公司创办人，也想运用为太阳和恒星提供动能的核聚变反应，来提供几乎是无上限的能量。

比尔盖兹、贝佐斯愿意赞助新型的核电技术研发，投资这一家专门以核聚变制造干净能源的美国初创公司 — Commonwealth Fusion Systems。

贝宝(美股代码:PYPL)联合创始人兼硅谷投资者提尔(Peter Thiel)支持华盛顿州雷德蒙德的Helion Energy(美股代码:HLEO)。微软联合创办人保罗艾伦(Paul Allen)投资了加州尔湾的Tri Alpha Energy，据报道，该公司已筹集到1.4亿美元。

亚马逊(美股代码:AMZN)创办人贝佐斯的投资基金正在支持一家名为General Fusion的温哥华公司，该公司迄今已筹集到9400万美元。

赛富时(Salesforce,美股代码:CRM)创办人贝尼奥夫形容核聚变是"圣杯"，"神话里的独角兽"。他投资旨在创建小型发电厂、麻省理工学院分拆出来的Common wealth Fusion Systems；而比尔盖兹也是这家公司的投资人。

为何著名科技人有志一同？

他们押注的这个产业，是数十年来建置核聚变反应堆的目标再过几年就能成真。获利可能达千倍。昇阳(Sun Microsystems,美股代码:ORCL)共同创办人科斯拉(Vinod Khosla)投资衍生自威斯康辛大学麦迪逊分校的Realta Fusion。

作为一位投资人，科斯拉觉得，"要么损失你的钱，要么赚上1000倍"。

科斯拉不断研发多个核聚变设计，为加快研发速度，除了Common wealth Fusion Systems，还投资另一家核聚变公司Realta Fusion。他认为，只要所投资的公司里有一家能成功，就能让地球有更好未来。他指出，核聚变投资只有两种结果，即"不是赔掉所有钱，就是获利上千倍"。

美国前能源部长、现为能源未来倡议(EFI)首席执行官莫尼兹(Ernest Moniz)表示，在2030年前很可能有至少一家或两家公司，能证明核聚变可实际应用。