新奧集團瞄準未來能源 攻關聚變商用難題

來源：《科技日報》 記者操秀英

“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年新奧集團股份有限公司（以下簡稱“新奧集團”）開啟緊湊型聚變技術探索以來，已經過去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。

新奧集團為何要涉足這一難度系數(shù)和風險都極高的領域？這些年，新奧集團的聚變研究團隊做了什么？劉敏勝進行了一次較為全面的復盤。

布局聚變

2018年4月，一則新聞引發(fā)業(yè)內廣泛關注：在新奧能源研究院與中國物理學會等離子體物理分會、中國核學會核聚變與等離子體物理學會聯(lián)合主辦的緊湊型聚變技術研討會上，新奧集團宣布，將著手建設一座小型核聚變實驗裝置。

新奧集團成為首個宣布研發(fā)聚變能源的中國民營企業(yè)。

“新奧集團一直致力于清潔能源技術創(chuàng)新，探索從低碳能源向無碳能源技術轉型。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，這些技術有的已經落地，有的還在繼續(xù)探索。”劉敏勝說，2017年經過廣泛調研論證后，新奧集團瞄準了緊湊型聚變技術。

緊湊型聚變技術是核聚變研究的一個重要方向。與化石能源相比，核聚變反應不排放二氧化碳；與目前廣泛應用的核能（核裂變）相比，核聚變不會產生核廢料，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。科學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持續(xù)足夠長時間。這難以產生比激發(fā)核聚變反應所需能量更多的能量。

因此，最初新奧集團并未明確聚變技術的具體實現(xiàn)路徑。盡管如此，新奧集團也決定先行動起來。

2018年緊湊型聚變技術研討會后不久，新奧集團就開始自主設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。

新奧氫硼聚變裝置中控大廳

選定氫硼

從2017年到2022年，新奧集團聚變團隊持續(xù)走訪國內外知名聚變研究機構，參加各種能“夠得著”的學術會議。

在這個過程中，新奧集團的聚變路線逐漸清晰。基于無中子、低成本、商業(yè)化的聚變技術研發(fā)目標，2022年，新奧集團確定了球形環(huán)氫硼聚變技術路線。2024年6月，全面系統(tǒng)闡述新奧集團氫硼聚變技術路線的學術論文在國際期刊《等離子體物理學雜志》發(fā)表。

“我們首要考慮的是商業(yè)應用的可能性。”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，必須在核聚變反應堆中由鋰“培育”出來。這種“氚增殖”技術是否可行尚不明確。此外，D-T燃料在高溫下聚變時會產生大量的高能中子，對人類和反應堆結構有害。

氫硼聚變提供了另一種思路：將氫核質子與容易開采的硼聚變。這個反應不產生中子，只生成無害的氦。

新奧集團聚變理論模擬首席科學家謝華生解釋說，氫硼聚變技術有三方面優(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，氫硼聚變反應可以避免中子形成，減少了放射性廢料的產生；第三，不需要轉化成熱能，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，科學家們已經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，日本國立聚變科學研究所和美國TAE技術公司攜手，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，新奧集團正在并行開展整體參數(shù)國際領先的球形環(huán)新裝置“和龍”的建設。該裝置預計2027年建成，旨在探索氫硼聚變中的各項關鍵技術，驗證球形環(huán)氫硼熱核聚變反應率，并為未來反應堆設計提供實驗基礎。

“‘玄龍-50U’的實驗進度比預期快。我們將原本計劃在‘和龍-2’上開展的氫硼聚變反應，提前在‘玄龍-50U’上實現(xiàn)。”劉敏勝說。

盡管氫硼聚變面臨的技術挑戰(zhàn)較大，但新奧集團聚變研究團隊已通過新建立的系統(tǒng)代碼和新的實驗數(shù)據，定量展示了實現(xiàn)該聚變反應能量增益的可行性，同時提出了“實驗—點火—發(fā)電”三步走的詳細發(fā)展計劃。新奧集團的目標是在2035年進入聚變示范堆階段，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。

新奧“玄龍-50U”聚變實驗裝置

開放合作

從沒有一個聚變技術人員，到涵蓋聚變、高能物理、人工智能等各相關學科的近300人，新奧集團聚變研究團隊現(xiàn)已具備“物理基礎研究—裝置設計—工程建設和驗證”一體化能力。

更讓劉敏勝津津樂道的是，新奧集團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，促進不同技術路線兼容共濟、協(xié)同發(fā)展。”他說。

2024年，新奧集團的聚變技術團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（國際原子能機構）世界聚變能源組織首屆部長級會議。

新奧集團組建了高水平顧問委員會和學術委員會，國內外多所聚變技術相關科研院所和高校與新奧集團成為密切的生態(tài)合作伙伴。

面向未來，新奧集團計劃充分應用人工智能技術助力聚變研發(fā)。2024年10月10日，“南開—新奧認知科技創(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科交叉，加速實現(xiàn)技術突破。

“聚變肯定不是某一家機構或企業(yè)能做成的。”劉敏勝說，“我們希望與國內外優(yōu)質單位合作，解決一些共性技術難題，共同突破關鍵技術門檻。”

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，新奧集團成為該創(chuàng)新聯(lián)合體的一員。同時，國務院國資委啟動實施未來產業(yè)啟航行動，明確可控核聚變領域為未來能源的唯一方向。

這讓新奧團隊有了更強烈的使命感。“我們唯有分秒必爭，全力以赴。”劉敏勝表示。