“任何一條聚變路線(xiàn)都面臨挑戰，但商業(yè)化首先要考慮燃料‘卡脖子’問(wèn)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(cháng)劉敏勝坦言。他同時(shí)表示：“聚變是我們的未來(lái)，我們的目標是在2035年建成聚變示范堆，早日實(shí)現氫硼聚變商業(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(jiǎn)稱(chēng)“新奧集團”)開(kāi)啟緊湊型聚變技術(shù)探索以來(lái)，已經(jīng)過(guò)去7個(gè)年頭。但對于難度極大且極其耗資耗時(shí)的聚變研究而言，這或許僅僅是個(gè)開(kāi)始。
新奧集團為何要涉足這一難度系數和風(fēng)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(jìn)行了一次較為全面的復盤(pán)。
布局聚變
2018年4月，一則新聞引發(fā)業(yè)內廣泛關(guān)注：在新奧能源研究院與中國物理學(xué)會(huì )等離子體物理分會(huì )、中國核學(xué)會(huì )核聚變與等離子體物理學(xué)會(huì )聯(lián)合主辦的緊湊型聚變技術(shù)研討會(huì )上，新奧集團宣布，將著(zhù)手建設一座小型核聚變實(shí)驗裝置。
新奧集團成為首個(gè)宣布研發(fā)聚變能源的中國民營(yíng)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(wú)碳能源技術(shù)轉型。前些年我們探索過(guò)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，有的還在繼續探索。”劉敏勝說(shuō)，2017年經(jīng)過(guò)廣泛調研論證后，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(gè)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(huì )產(chǎn)生核廢料，輻射也極小。
可控核聚變實(shí)現的方式主要有兩種：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(wú)法讓核聚變反應持續足夠長(cháng)時(shí)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(shí)現路徑。盡管如此，新奧集團也決定先行動(dòng)起來(lái)。
2018年緊湊型聚變技術(shù)研討會(huì )后不久，新奧集團就開(kāi)始自主設計建造我國首座中等規模球形托卡馬克聚變實(shí)驗裝置——“玄龍-50”。該裝置于2019年8月建成并成功實(shí)現等離子體放電。
新奧集團聚變副總工程師楊圓明介紹，“玄龍-50”在穩定實(shí)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)物理性能參數均顯著(zhù)提升，已躋身國際上較大型磁約束實(shí)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走訪(fǎng)國內外知名聚變研究機構，參加各種能“夠得著(zhù)”的學(xué)術(shù)會(huì )議。
在這個(gè)過(guò)程中，新奧集團的聚變路線(xiàn)逐漸清晰?；跓o(wú)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(xiàn)。2024年6月，全面系統闡述新奧集團氫硼聚變技術(shù)路線(xiàn)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)應用的可能性。”劉敏勝說(shuō)。
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(lái)。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(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的高能中子，對人類(lèi)和反應堆結構有害。
氫硼聚變提供了另一種思路：將氫核質(zhì)子與容易開(kāi)采的硼聚變。這個(gè)反應不產(chǎn)生中子，只生成無(wú)害的氦。
新奧集團聚變理論模擬首席科學(xué)家謝華生解釋說(shuō)，氫硼聚變技術(shù)有三方面優(yōu)勢。第一，氫硼聚變的燃料來(lái)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，不需要轉化成熱能，可以直接發(fā)電。
但是，氫硼聚變實(shí)現的難度更大。它需要大約30億攝氏度的高溫，即太陽(yáng)核心溫度的200倍，比D-T聚變所需的溫度高30倍。
不過(guò)，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(chēng)，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(shí)現了氫硼聚變實(shí)驗。“我們現在要做的是在裝置上驗證它。”劉敏勝說(shuō)。
楊圓明介紹，新奧集團正在并行開(kāi)展整體參數國際領(lǐng)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(guān)鍵技術(shù)，驗證球形環(huán)氫硼熱核聚變反應率，并為未來(lái)反應堆設計提供實(shí)驗基礎。
“‘玄龍-50U’的實(shí)驗進(jìn)度比預期快。我們將原本計劃在‘和龍-2’上開(kāi)展的氫硼聚變反應，提前到在‘玄龍-50U’上實(shí)現。”劉敏勝說(shuō)。
盡管氫硼聚變面臨的技術(shù)挑戰較大，但新奧集團聚變研究團隊已通過(guò)新建立的系統代碼和新的實(shí)驗數據，定量展示了實(shí)現該聚變反應能量增益的可行性，同時(shí)提出了“實(shí)驗—點(diǎn)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(jìn)入聚變示范堆階段，解決成本和商業(yè)化問(wèn)題，最終實(shí)現商業(yè)化的氫硼聚變能。
開(kāi)放合作
從沒(méi)有一個(gè)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，新奧集團聚變研究團隊現已具備“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(lè )道的是，新奧集團積極參加并推動(dòng)聚變研究國際合作。“我們秉持開(kāi)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(xiàn)兼容共濟、協(xié)同發(fā)展。”他說(shuō)。
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(shí)業(yè)論壇、在英國舉辦的國際球形環(huán)研討會(huì )、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(cháng)級會(huì )議。
新奧集團組建了高水平顧問(wèn)委員會(huì )和學(xué)術(shù)委員會(huì )，國內外多所聚變技術(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(lái)，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(kāi)—新奧認知科技創(chuàng )新中心聚變智能實(shí)驗室”正式揭牌，旨在通過(guò)聚變物理和人工智能等學(xué)科交叉，加速實(shí)現技術(shù)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(shuō)，“我們希望與國內外優(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(mén)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(shí)，國務(wù)院國資委啟動(dòng)實(shí)施未來(lái)產(chǎn)業(yè)啟航行動(dòng)，明確可控核聚變領(lǐng)域為未來(lái)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(lái)源：科技日報記者 操秀英
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