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中國能源報 記者 仝曉波
2017年啓動緊湊型聚變技術探索；2018年至2019年自主設計建造國內首座中等規模球形環物理實驗裝置「玄龍—50」；2023年至2024年將「玄龍—50」裝置升級為「玄龍—50U」，快速躋身國際大型磁約束實驗平台先進行列……在傳統能源領域深耕三十多年的新奧集團，從2017年開啓聚變「新賽道」，短短7年耗資數十億元，探索商用化聚變關鍵技術，除取得上述進展之外，目前還在並行開展整體參數更為領先的下一代球形環新裝置——「和龍—2」設計與建設，遠景目標是在2035年實現聚變商業化，助力中國發出聚變能源的第一度電。
因為燃料豐富、安全清潔、能效高等優點，聚變被認為是人類能源的理想選擇。聚變路線衆多，一直以來科學界和業界均主要聚焦攻關氘氚聚變，但在通往商用聚變的道路上仍存在諸多挑戰。在此背景下，新奧為何獨闢蹊徑，探索氫硼聚變？
小標題： 「龍」的探索，實驗裝置迭代升級
11月15日，《中國能源報》記者來到位於河北廊坊經濟技術開發區的新奧聚變技術研發中心。啱啱於今年1月啓用的玄龍—50U裝置已於當天早上8時開啓了一天的例行實驗。在控制大廳內，主裝置運行情況，裝置內溫度超千萬攝氏度、被磁場約束着的等離子體實時狀態，以及等離子體加熱系統、診斷系統、電源系統等各子系統實驗數據在顯示屏上一覽無餘。
作為玄龍—50的升級版，玄龍—50U裝置正式啓用後，很快就獲得了重複穩定的等離子體放電，並在今年8月全面達成裝置設計的關鍵性能指標。
新奧能源研究院院長劉敏勝向《中國能源報》記者介紹，「玄龍—50U」的首要使命是實現等離子體穩定控制，探索在極限工況，也就是高參數下裝置的物理性能和工程價值，為下一代裝置「和龍—2」提供支撐。
「今年‘玄龍—50U’的實驗進度比預期快，所以，提前完成既定使命後，我們又快速啓動‘和龍—2’裝置，將原本計劃在‘和龍—2’上開展的氫硼聚變反應，提前到‘玄龍—50U’上先實現。」劉敏勝說，目前「和龍—2」的物理設計、工程設計都在推進中，這一階段就要「對氫硼聚變進行科學可行性驗證」。
▲2024年1月「玄龍—50U」裝置正式啓用
小標題：逐夢「氫硼」，探索聚變新方案
所謂「聚變」，是指兩個較輕的原子聚合為一個較重的原子，並釋放出能量的過程。太陽的原理就是聚變反應，所以常常又把可控核聚變稱作「人造太陽」。
當前，國內正在探索的磁約束託卡馬克氘氚聚變、Z箍縮聚變裂變混合堆、磁約束球形環氫硼聚變等幾種技術路線，在研究基礎、建設進展、研究難點、預期節點等方面存在差異，處於研究開發的不同階段，各具優勢。
據了解，聚變燃料最常見的是氘氚，此外還有氘氘、氘氦、氫硼等。作為目前國際上主流的聚變實驗裝置之一，託卡馬克裝置就以氘氚聚變為主。全球最著名的實驗性託卡馬克核聚變反應堆就是耗資220億美元、在法國南部建造的國際熱核聚變實驗反應堆（ITER），中國也參與其中。中國也建造了自己的託卡馬克聚變實驗裝置，包括1985年開始陸續投用的環流器一號系列、二號系列，2007年投運的全超導託卡馬克聚變實驗裝置（EAST），2020年建成的中國環流三號託卡馬克（HL—3）裝置，以及目前正在計劃建造的聚變工程試驗反應堆（CFETR）等。
據業內專家介紹，氘氚聚變在技術上相對容易實現，但是氚的來源極其有限，自然界僅微量存在，並不能通過開採獲得，而且價格昂貴。而且，氚本身具有放射性，氚氘聚變過程中釋放出的高能中子可能引發的再生放射性也不容小覷。同理，氘氘、氘氦聚變，或者因為在聚變過程中會產生高能中子（氘氘），或者因為原料（氦）稀缺等，均存在商業化落地制約。
新奧獨闢蹊徑，選擇無中子、無放射性的氫硼聚變技術路線，採用球形環實驗裝置設計，以提升實驗效率。新奧能源研究院聚變副總工程師楊圓明介紹，氫硼聚變所用燃料氫和硼儲量豐富易獲取，反應可以直接發電，過程中也不會釋放高能中子。「理論上直接發電能量損失更低，發電效率更高。」
「氫硼聚變最大的問題是反應條件苛刻，技術難度大。作為企業，我們必須探索商業化可能性更大的技術路線。」劉敏勝坦言，新奧在低碳能源研究上積累了很多經驗，也為行業積累了技術和研究人才，2017年對聚變技術的研發謀劃清楚後就開始全力投入。
- 新奧氫硼聚變裝置中控大廳
小標題：錨定「2035」，開放合作助力生態共贏
在劉敏勝看來，雖然目前日本和美國的科學實驗已經實現了磁約束裝置的氫硼反應，但氫硼聚變增益的科學可行性還需要驗證。「這正是我們下一代裝置‘和龍—2’的使命。」
隨着探索逐步進入深水區，所需投入也越來越大。據了解，截至目前，新奧在聚變實踐探索方面已投入數十億元，「和龍—2」所需投資還將翻番，達到百億元規模，後續工程性驗證平台所需投資將會更高，這一階段的目標是實現氫硼燃燒和演示發電，解決工程放大問題和氫硼燃燒的能量增益問題。最終將錨定「在2035年，建成氫硼聚變商業示範堆」，既要探索低成本又要確保裝置運行穩定可靠。
「所有能源產品，燃料往往佔據成本的大頭。但氫硼聚變在後期，也就是在商業化階段並沒有工程和大幅降本的問題，因為其燃料成本微乎其微。」劉敏勝說，現在對於氫硼聚變來說，核心就是驗證科學可行性。「只有在‘和龍—2’上完成了科學可行性驗證，我們纔敢說2035年實現商業化的事，後續工作推進會容易很多。」
值得一提的是，今年以來，國務院國資委明確可控核聚變領域為未來能源的重要方向，這一政策指標無疑為我國探索商用聚變注入一劑「強心針」。2023年12月底，中核集團牽頭的國家可控核聚變創新聯合體正式成立，創新協同推進聚變能源產業邁出實質性步伐，新奧也加入了這個聯合「創新戰隊」。
新奧堅持開放創新與行業共同發展，目前已經組建了一支300餘人、老中青結合、國際化的聚變研發高端人才隊伍，並與業內多家科研院所及諸多知名高校建立了良好的交流合作關係，並通過科研經費、設立獎學金等推動行業人才培養和聚變前沿領域的研究，助力中國聚變能源產業發展。
「聚變是人類的未來，也是前無古人的複雜系統科學與工程，需要我們以前所未有的力度去合作，以前所未有的勇氣去創新突破。」劉敏勝說。
責任編輯：張倩