“任何一條聚變路線都面臨挑戰(zhàn)，但商業(yè)化首先要考慮燃料‘卡脖子’問題。”日前，在位于河北省廊坊市的新奧聚變技術(shù)研發(fā)中心，新奧能源研究院院長劉敏勝坦言。他同時表示：“聚變是我們的未來，我們的目標(biāo)是在2035年建成聚變示范堆，早日實現(xiàn)氫硼聚變商業(yè)化，助力中國聚變發(fā)出第一度電。”
自2017年新奧集團(tuán)股份有限公司（以下簡稱“新奧集團(tuán)”）開啟緊湊型聚變技術(shù)探索以來，已經(jīng)過去7個年頭。但對于難度極大且極其耗資耗時的聚變研究而言，這或許僅僅是個開始。
新奧集團(tuán)為何要涉足這一難度系數(shù)和風(fēng)險都極高的領(lǐng)域？這些年，新奧集團(tuán)的聚變研究團(tuán)隊做了什么？劉敏勝進(jìn)行了一次較為全面的復(fù)盤。
布局聚變
2018年4月，一則新聞引發(fā)業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注：在新奧能源研究院與中國物理學(xué)會等離子體物理分會、中國核學(xué)會核聚變與等離子體物理學(xué)會聯(lián)合主辦的緊湊型聚變技術(shù)研討會上，新奧集團(tuán)宣布，將著手建設(shè)一座小型核聚變實驗裝置。
新奧集團(tuán)成為首個宣布研發(fā)聚變能源的中國民營企業(yè)。
“新奧集團(tuán)一直致力于清潔能源技術(shù)創(chuàng)新，探索從低碳能源向無碳能源技術(shù)轉(zhuǎn)型。前些年我們探索過光伏、微藻、煤制氣、儲能等不同的創(chuàng)新技術(shù)，這些技術(shù)有的已經(jīng)落地，有的還在繼續(xù)探索。”劉敏勝說，2017年經(jīng)過廣泛調(diào)研論證后，新奧集團(tuán)瞄準(zhǔn)了緊湊型聚變技術(shù)。
緊湊型聚變技術(shù)是核聚變研究的一個重要方向。與化石能源相比，核聚變反應(yīng)不排放二氧化碳；與目前廣泛應(yīng)用的核能（核裂變）相比，核聚變不會產(chǎn)生核廢料，輻射也極小。
可控核聚變實現(xiàn)的方式主要有兩種：慣性約束和磁約束?？茖W(xué)家們在這兩條路徑上做了很多探索，但截至目前，他們還無法讓核聚變反應(yīng)持續(xù)足夠長時間。這難以產(chǎn)生比激發(fā)核聚變反應(yīng)所需能量更多的能量。
因此，最初新奧集團(tuán)并未明確聚變技術(shù)的具體實現(xiàn)路徑。盡管如此，新奧集團(tuán)也決定先行動起來。
2018年緊湊型聚變技術(shù)研討會后不久，新奧集團(tuán)就開始自主設(shè)計建造我國首座中等規(guī)模球形托卡馬克聚變實驗裝置——“玄龍-50”。該裝置于2019年8月建成并成功實現(xiàn)等離子體放電。
新奧集團(tuán)聚變副總工程師楊圓明介紹，“玄龍-50”在穩(wěn)定實驗運行4年后，已于2023年升級為“玄龍-50U”，并于2024年初啟用。升級后的裝置相關(guān)物理性能參數(shù)均顯著提升，已躋身國際上較大型磁約束實驗平臺行列。
選定氫硼
從2017年到2022年，新奧集團(tuán)聚變團(tuán)隊持續(xù)走訪國內(nèi)外知名聚變研究機(jī)構(gòu)，參加各種能“夠得著”的學(xué)術(shù)會議。
在這個過程中，新奧集團(tuán)的聚變路線逐漸清晰。基于無中子、低成本、商業(yè)化的聚變技術(shù)研發(fā)目標(biāo)，2022年，新奧集團(tuán)確定了球形環(huán)氫硼聚變技術(shù)路線。2024年6月，全面系統(tǒng)闡述新奧集團(tuán)氫硼聚變技術(shù)路線的學(xué)術(shù)論文在國際期刊《等離子體物理學(xué)雜志》發(fā)表。
“我們首要考慮的是商業(yè)應(yīng)用的可能性。”劉敏勝說。
目前，托卡馬克裝置的主要燃料是氫同位素氘和氚（D-T）。然而，氚在自然界中極為稀有，必須在核聚變反應(yīng)堆中由鋰“培育”出來。這種“氚增殖”技術(shù)是否可行尚不明確。此外，D-T燃料在高溫下聚變時會產(chǎn)生大量的高能中子，對人類和反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)有害。
氫硼聚變提供了另一種思路：將氫核質(zhì)子與容易開采的硼聚變。這個反應(yīng)不產(chǎn)生中子，只生成無害的氦。
新奧集團(tuán)聚變理論模擬首席科學(xué)家謝華生解釋說，氫硼聚變技術(shù)有三方面優(yōu)勢。第一，氫硼聚變的燃料來源廣泛，氫元素就存在于水中，硼元素在地球上的儲量也很大；第二，氫硼聚變反應(yīng)可以避免中子形成，減少了放射性廢料的產(chǎn)生；第三，不需要轉(zhuǎn)化成熱能，可以直接發(fā)電。
但是，氫硼聚變實現(xiàn)的難度更大。它需要大約30億攝氏度的高溫，即太陽核心溫度的200倍，比D-T聚變所需的溫度高30倍。
不過，科學(xué)家們已經(jīng)證明氫硼聚變理論上可行。2023年3月，《自然—通訊》上的一篇論文稱，日本國立聚變科學(xué)研究所和美國TAE技術(shù)公司攜手，首次在磁約束聚變等離子體中實現(xiàn)了氫硼聚變實驗。“我們現(xiàn)在要做的是在裝置上驗證它。”劉敏勝說。
楊圓明介紹，新奧集團(tuán)正在并行開展整體參數(shù)國際領(lǐng)先的球形環(huán)新裝置“和龍”的建設(shè)。該裝置預(yù)計2027年建成，旨在探索氫硼聚變中的各項關(guān)鍵技術(shù)，驗證球形環(huán)氫硼熱核聚變反應(yīng)率，并為未來反應(yīng)堆設(shè)計提供實驗基礎(chǔ)。
“‘玄龍-50U’的實驗進(jìn)度比預(yù)期快。我們將原本計劃在‘和龍-2’上開展的氫硼聚變反應(yīng)，提前到在‘玄龍-50U’上實現(xiàn)。”劉敏勝說。
盡管氫硼聚變面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)較大，但新奧集團(tuán)聚變研究團(tuán)隊已通過新建立的系統(tǒng)代碼和新的實驗數(shù)據(jù)，定量展示了實現(xiàn)該聚變反應(yīng)能量增益的可行性，同時提出了“實驗—點火—發(fā)電”三步走的詳細(xì)發(fā)展計劃。新奧集團(tuán)的目標(biāo)是在2035年進(jìn)入聚變示范堆階段，解決成本和商業(yè)化問題，最終實現(xiàn)商業(yè)化的氫硼聚變能。
開放合作
從沒有一個聚變技術(shù)人員，到涵蓋聚變、高能物理、人工智能等各相關(guān)學(xué)科的近300人，新奧集團(tuán)聚變研究團(tuán)隊現(xiàn)已具備“物理基礎(chǔ)研究—裝置設(shè)計—工程建設(shè)和驗證”一體化能力。
更讓劉敏勝津津樂道的是，新奧集團(tuán)積極參加并推動聚變研究國際合作。“我們秉持開放合作的理念，與全球研究成果相互融合，促進(jìn)不同技術(shù)路線兼容共濟(jì)、協(xié)同發(fā)展。”他說。
2024年，新奧集團(tuán)的聚變技術(shù)團(tuán)隊成員先后參加了在法國舉辦的全球聚變實業(yè)論壇、在英國舉辦的國際球形環(huán)研討會、在意大利舉辦的IAEA（國際原子能機(jī)構(gòu)）世界聚變能源組織首屆部長級會議。
新奧集團(tuán)組建了高水平顧問委員會和學(xué)術(shù)委員會，國內(nèi)外多所聚變技術(shù)相關(guān)科研院所和高校與新奧集團(tuán)成為密切的生態(tài)合作伙伴。
面向未來，新奧集團(tuán)計劃充分應(yīng)用人工智能技術(shù)助力聚變研發(fā)。2024年10月10日，“南開—新奧認(rèn)知科技創(chuàng)新中心聚變智能實驗室”正式揭牌，旨在通過聚變物理和人工智能等學(xué)科交叉，加速實現(xiàn)技術(shù)突破。
“聚變肯定不是某一家機(jī)構(gòu)或企業(yè)能做成的。”劉敏勝說，“我們希望與國內(nèi)外優(yōu)勢單位合作，解決一些共性技術(shù)難題，共同突破關(guān)鍵技術(shù)門檻。”
2023年底，25家央企、科研院所、高校等組成的可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體正式宣布成立，中國聚變公司（籌）舉行揭牌儀式，新奧集團(tuán)成為該創(chuàng)新聯(lián)合體的一員。同時，國務(wù)院國資委啟動實施未來產(chǎn)業(yè)啟航行動，明確可控核聚變領(lǐng)域為未來能源的唯一方向。
這讓新奧團(tuán)隊有了更強(qiáng)烈的使命感。“我們唯有分秒必爭，全力以赴。”劉敏勝表示。
“任何一條聚變路線都面臨挑戰(zhàn)，但商業(yè)化首先要考慮燃料‘卡脖子’問題。”日前，在位于河北省廊坊市的新奧聚變技術(shù)研發(fā)中心，新奧能源研究院院長劉敏勝坦言。他同時表示：“聚變是我們的未來，我們的目標(biāo)是在2035年建成聚變示范堆，早日實現(xiàn)氫硼聚變商業(yè)化，助力中國聚變發(fā)出第一度電。”
自2017年新奧集團(tuán)股份有限公司（以下簡稱“新奧集團(tuán)”）開啟緊湊型聚變技術(shù)探索以來，已經(jīng)過去7個年頭。但對于難度極大且極其耗資耗時的聚變研究而言，這或許僅僅是個開始。
新奧集團(tuán)為何要涉足這一難度系數(shù)和風(fēng)險都極高的領(lǐng)域？這些年，新奧集團(tuán)的聚變研究團(tuán)隊做了什么？劉敏勝進(jìn)行了一次較為全面的復(fù)盤。
布局聚變
2018年4月，一則新聞引發(fā)業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注：在新奧能源研究院與中國物理學(xué)會等離子體物理分會、中國核學(xué)會核聚變與等離子體物理學(xué)會聯(lián)合主辦的緊湊型聚變技術(shù)研討會上，新奧集團(tuán)宣布，將著手建設(shè)一座小型核聚變實驗裝置。
新奧集團(tuán)成為首個宣布研發(fā)聚變能源的中國民營企業(yè)。
“新奧集團(tuán)一直致力于清潔能源技術(shù)創(chuàng)新，探索從低碳能源向無碳能源技術(shù)轉(zhuǎn)型。前些年我們探索過光伏、微藻、煤制氣、儲能等不同的創(chuàng)新技術(shù)，這些技術(shù)有的已經(jīng)落地，有的還在繼續(xù)探索。”劉敏勝說，2017年經(jīng)過廣泛調(diào)研論證后，新奧集團(tuán)瞄準(zhǔn)了緊湊型聚變技術(shù)。
緊湊型聚變技術(shù)是核聚變研究的一個重要方向。與化石能源相比，核聚變反應(yīng)不排放二氧化碳；與目前廣泛應(yīng)用的核能（核裂變）相比，核聚變不會產(chǎn)生核廢料，輻射也極小。
可控核聚變實現(xiàn)的方式主要有兩種：慣性約束和磁約束?？茖W(xué)家們在這兩條路徑上做了很多探索，但截至目前，他們還無法讓核聚變反應(yīng)持續(xù)足夠長時間。這難以產(chǎn)生比激發(fā)核聚變反應(yīng)所需能量更多的能量。
因此，最初新奧集團(tuán)并未明確聚變技術(shù)的具體實現(xiàn)路徑。盡管如此，新奧集團(tuán)也決定先行動起來。
2018年緊湊型聚變技術(shù)研討會后不久，新奧集團(tuán)就開始自主設(shè)計建造我國首座中等規(guī)模球形托卡馬克聚變實驗裝置——“玄龍-50”。該裝置于2019年8月建成并成功實現(xiàn)等離子體放電。
新奧集團(tuán)聚變副總工程師楊圓明介紹，“玄龍-50”在穩(wěn)定實驗運行4年后，已于2023年升級為“玄龍-50U”，并于2024年初啟用。升級后的裝置相關(guān)物理性能參數(shù)均顯著提升，已躋身國際上較大型磁約束實驗平臺行列。
選定氫硼
從2017年到2022年，新奧集團(tuán)聚變團(tuán)隊持續(xù)走訪國內(nèi)外知名聚變研究機(jī)構(gòu)，參加各種能“夠得著”的學(xué)術(shù)會議。
在這個過程中，新奧集團(tuán)的聚變路線逐漸清晰?；跓o中子、低成本、商業(yè)化的聚變技術(shù)研發(fā)目標(biāo)，2022年，新奧集團(tuán)確定了球形環(huán)氫硼聚變技術(shù)路線。2024年6月，全面系統(tǒng)闡述新奧集團(tuán)氫硼聚變技術(shù)路線的學(xué)術(shù)論文在國際期刊《等離子體物理學(xué)雜志》發(fā)表。
“我們首要考慮的是商業(yè)應(yīng)用的可能性。”劉敏勝說。
目前，托卡馬克裝置的主要燃料是氫同位素氘和氚（D-T）。然而，氚在自然界中極為稀有，必須在核聚變反應(yīng)堆中由鋰“培育”出來。這種“氚增殖”技術(shù)是否可行尚不明確。此外，D-T燃料在高溫下聚變時會產(chǎn)生大量的高能中子，對人類和反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)有害。
氫硼聚變提供了另一種思路：將氫核質(zhì)子與容易開采的硼聚變。這個反應(yīng)不產(chǎn)生中子，只生成無害的氦。
新奧集團(tuán)聚變理論模擬首席科學(xué)家謝華生解釋說，氫硼聚變技術(shù)有三方面優(yōu)勢。第一，氫硼聚變的燃料來源廣泛，氫元素就存在于水中，硼元素在地球上的儲量也很大；第二，氫硼聚變反應(yīng)可以避免中子形成，減少了放射性廢料的產(chǎn)生；第三，不需要轉(zhuǎn)化成熱能，可以直接發(fā)電。
但是，氫硼聚變實現(xiàn)的難度更大。它需要大約30億攝氏度的高溫，即太陽核心溫度的200倍，比D-T聚變所需的溫度高30倍。
不過，科學(xué)家們已經(jīng)證明氫硼聚變理論上可行。2023年3月，《自然—通訊》上的一篇論文稱，日本國立聚變科學(xué)研究所和美國TAE技術(shù)公司攜手，首次在磁約束聚變等離子體中實現(xiàn)了氫硼聚變實驗。“我們現(xiàn)在要做的是在裝置上驗證它。”劉敏勝說。
楊圓明介紹，新奧集團(tuán)正在并行開展整體參數(shù)國際領(lǐng)先的球形環(huán)新裝置“和龍”的建設(shè)。該裝置預(yù)計2027年建成，旨在探索氫硼聚變中的各項關(guān)鍵技術(shù)，驗證球形環(huán)氫硼熱核聚變反應(yīng)率，并為未來反應(yīng)堆設(shè)計提供實驗基礎(chǔ)。
“‘玄龍-50U’的實驗進(jìn)度比預(yù)期快。我們將原本計劃在‘和龍-2’上開展的氫硼聚變反應(yīng)，提前到在‘玄龍-50U’上實現(xiàn)。”劉敏勝說。
盡管氫硼聚變面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)較大，但新奧集團(tuán)聚變研究團(tuán)隊已通過新建立的系統(tǒng)代碼和新的實驗數(shù)據(jù)，定量展示了實現(xiàn)該聚變反應(yīng)能量增益的可行性，同時提出了“實驗—點火—發(fā)電”三步走的詳細(xì)發(fā)展計劃。新奧集團(tuán)的目標(biāo)是在2035年進(jìn)入聚變示范堆階段，解決成本和商業(yè)化問題，最終實現(xiàn)商業(yè)化的氫硼聚變能。
開放合作
從沒有一個聚變技術(shù)人員，到涵蓋聚變、高能物理、人工智能等各相關(guān)學(xué)科的近300人，新奧集團(tuán)聚變研究團(tuán)隊現(xiàn)已具備“物理基礎(chǔ)研究—裝置設(shè)計—工程建設(shè)和驗證”一體化能力。
更讓劉敏勝津津樂道的是，新奧集團(tuán)積極參加并推動聚變研究國際合作。“我們秉持開放合作的理念，與全球研究成果相互融合，促進(jìn)不同技術(shù)路線兼容共濟(jì)、協(xié)同發(fā)展。”他說。
2024年，新奧集團(tuán)的聚變技術(shù)團(tuán)隊成員先后參加了在法國舉辦的全球聚變實業(yè)論壇、在英國舉辦的國際球形環(huán)研討會、在意大利舉辦的IAEA（國際原子能機(jī)構(gòu)）世界聚變能源組織首屆部長級會議。
新奧集團(tuán)組建了高水平顧問委員會和學(xué)術(shù)委員會，國內(nèi)外多所聚變技術(shù)相關(guān)科研院所和高校與新奧集團(tuán)成為密切的生態(tài)合作伙伴。
面向未來，新奧集團(tuán)計劃充分應(yīng)用人工智能技術(shù)助力聚變研發(fā)。2024年10月10日，“南開—新奧認(rèn)知科技創(chuàng)新中心聚變智能實驗室”正式揭牌，旨在通過聚變物理和人工智能等學(xué)科交叉，加速實現(xiàn)技術(shù)突破。
“聚變肯定不是某一家機(jī)構(gòu)或企業(yè)能做成的。”劉敏勝說，“我們希望與國內(nèi)外優(yōu)勢單位合作，解決一些共性技術(shù)難題，共同突破關(guān)鍵技術(shù)門檻。”
2023年底，25家央企、科研院所、高校等組成的可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體正式宣布成立，中國聚變公司（籌）舉行揭牌儀式，新奧集團(tuán)成為該創(chuàng)新聯(lián)合體的一員。同時，國務(wù)院國資委啟動實施未來產(chǎn)業(yè)啟航行動，明確可控核聚變領(lǐng)域為未來能源的唯一方向。
這讓新奧團(tuán)隊有了更強(qiáng)烈的使命感。“我們唯有分秒必爭，全力以赴。”劉敏勝表示。
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