“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(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。

　　新奧集團為何要涉足這一難度系數(shù)和風險都極高的領(lǐng)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(nèi)廣泛關(guān)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(shù)研討會上，新奧集團宣布，將著手建設(shè)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(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，新奧集團瞄準了緊湊型聚變技術(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(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(chǎn)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(shù)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(shù)研討會后不久，新奧集團就開始自主設(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，新奧集團聚變團隊持續(xù)走訪國內(nèi)外知名聚變研究機構(gòu)，參加各種能“夠得著”的學術(shù)會議。

　　在這個過程中，新奧集團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，2022年，新奧集團確定了球形環(huán)氫硼聚變技術(shù)路線。2024年6月，全面系統(tǒng)闡述新奧集團氫硼聚變技術(shù)路線的學術(shù)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(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。這個反應不產(chǎn)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(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)氫硼熱核聚變反應率，并為未來反應堆設(shè)計提供實驗基礎(chǔ)。

　　“‘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(jù)，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。

　　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)學科的近300人，新奧集團聚變研究團隊現(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(shù)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(shù)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(gòu))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(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(shù)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(shù)突破。

　　“聚變肯定不是某一家機構(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(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。

　　來源：科技日報記者 操秀英