氢硼聚变“中国方案”提速

界面新闻记者 | 田鹤琪



“本届会议规模比上一届大得多。去年的时候大概只有三四十人，今年有120余人，形势完全不一样。”

日前，由新奥集团(下称新奥)主办的第三届氢硼聚变研讨会在河北廊坊落幕，会议为期四天。新奥能源研究院院长刘敏胜在首日大会上接受界面新闻等媒体采访时，发出上述感慨。

新奥是民营清洁能源巨头，也是中国最早开展商用聚变能源开发且截至目前唯一选择球形环氢硼聚变路线的民营企业，八年来聚变研发投入数十亿元，是全球八家研发投资超2亿美元(约合14.36亿元人民币)的聚变企业之一。

随着近年来科研界的多项突破实现，聚变科技目前处于工程可行性验证向商业化应用落地的关键过渡阶段，正成为吸引全球目光的前沿焦点。

其中，氢硼聚变在全球的关注度正迅速攀升。

新奥在过去八年鲜少对外公布聚变实验进展，今年4月16日，新奥宣布“玄龙-50U”实现了高温高密度百万安培(兆安)等离子体电流，等离子体电流达到1兆安，温度达到4000万度。

今年5月份，新奥“玄龙- 50U”实验装置再获关键工程技术突破——“玄龙-50U”成为全球首个实现秒级1.2T以上磁场条件的球形环装置。此前国际上正在运行的中大型球形环，中心磁场尚未超过1T。

新奥在两个月内连创两项世界纪录，突破速度不可谓不快。这场关于 “人造太阳” 的探索，也离商业化应用越来越近。

与会专家们在上述研讨会上预计，按照目前的进展，未来10-20年将成为聚变技术从实验室走向商用化的关键探索期。

当前可控核聚变技术路线根据装置的不同主要有三种：重力场约束、惯性约束和磁约束。其中，磁约束核聚变研究装置包括托卡马克、仿星器、反向场箍缩、场反位形(FRC)及磁镜等。

不同于国内其他商业核聚变公司将氘氚作为聚变燃料，新奥选择了球形环＋氢硼聚变技术路线，建造球形环装置。球形环是更接近球形的一种托卡马克，相较于传统托卡马克(形状接近轮胎)更紧凑。

相比其他燃料，氢硼聚变被视作更理想的“未来能源”。其反应产物为氦核，无中子辐射污染，从根源上消除核安全隐患；燃料近乎“取之不尽”——氢来自水，硼在地壳中储量极丰富；且反应产生的带电粒子可直接高效发电，无需传统蒸汽循环，理论效率更高。但相较于氘氚聚变，氢硼聚变实现难度更大。

聚变三乘积（等离子体的温度、密度和能量约束时间的乘积）是判断磁约束聚变能否“点火”的核心指标。刘敏胜告诉界面新闻，在密度方面，实验室条件下难以实现大幅提升，主要按常规水平推进，因此，氢硼聚变的重点突破集中在温度与能量约束时间上。

早期外界普遍认为，氢硼聚变的最佳反应温度为50亿度，经过新奥与北京大学、西安交通大学等机构的联合研究，已将这一温度降至10亿-20亿度。

“结合氢硼在核物理层面的特性，未来还有进一步降低条件并增加聚变产物的空间，这也相当于变相降低了技术门槛。”刘敏胜称。

不过，新奥“玄龙- 50U”实验装置从当前的4000万度，到实现10亿度的目标，差距仍大。

“还有很长的路要走。”刘敏胜称。但他同时指出，判断技术进展不能只看绝对数值，更要关注装置的潜力与迭代逻辑，“比如我们设计的装置原计划最高达2000万度，实际能到4000万度，这意味着下一代装置实现参数目标的把握更大。”

他举例，新奥现有的“玄龙-50U”装置虽比英美同类球形环装置小，磁场强度却显著领先，温度已达到对方的两倍以上，“这种超出预期的表现，让我们对突破挑战更有信心”。

西安交通大学物理学院教授、德国物理学会等离子体物理分会原主席霍迪（Dieter Hoffmann）也认为：“氢硼聚变具有独特优势。科学家们正在通过非平衡态等离子体等创新方法突破高温技术这一瓶颈，非常值得探索。”

目前，新奥正并行推进下一代氢硼热核聚变实验装置“和龙-2”的建设，预计2027年建成，为2035年发电示范堆落地奠定基础。

据刘敏胜介绍，新奥将在明年6-7月前先在“玄龙-50U” 装置上率先实现氢硼聚变反应；随后，按计划在“和龙-2”装置全面实现热核的氢硼反应。“‘和龙-2’能够实现若干关键目标，包括识别、研究并解决STPBF（球形环氢硼聚变）发展相关的最重大科学技术难题，验证氢硼聚变的科学可行性，为后续建造更大规模的平台提供科技支撑。”

关于“和龙-2”装置的温度目标，刘敏胜介绍，最初计划瞄准3亿度，随着装置迭代，目前有可能向5亿度甚至10亿度冲刺。

能量约束时间的提升，与等离子体电流、磁场强度直接相关。“根据定量公式，这两个因素对球形环装置的约束时间影响最大，只要它们提高，约束时间就能提升。” 刘敏胜说，新奥此次突破的两项参数已达世界最高水平，原本团队计划在下一代装置上才冲击这一目标，如今的进展远超预期。

在技术突破之外，氢硼聚变仍面临多重挑战。

西安交通大学物理学院副院长赵永涛告诉界面新闻，一方面，行业整体人才储备不足，氢硼领域专业人才尤为稀缺。此外，跨学科协同不足，聚变研发需材料、能源转化、等离子体物理、诊断技术、工程技术等多学科深度协作，当前学科力量整合仍显薄弱。

与此同时，由于氢硼聚变商业化周期较长，相关战略布局和资源投入存在长期性，需国家层面加大支持力度。

不过，赵永涛也透露，国内有科学院所已正式将“氢硼聚变”列入先导专项计划。“一旦国家层面布局，就能迅速汇聚人才、催生关键技术突破，并带动工程化进程。”

值得关注的是，当前公私合作模式，正成为推动核聚变技术的重要机制。

2023年5月，美国能源部通过“里程碑式聚变开发计划”向八家私营公司拨款4600万美元(约合3.3亿元人民币)，用于聚变电厂的设计与研发。

根据核聚变行业协会(Fusion Industry Association，FIA)去年7月发布的年度报告《2024年全球核聚变行业》，彼时，全球至少有45家商业化聚变公司，累计融资71亿美元(约合509.72亿元人民币)，其中4.26亿美元(约合30.58亿元人民币)来自政府等公共资金。

“全球聚变研究和开发的格局正在发生很大变化，私营部门的参与意味着研究性质正在发生变化。”国际热核聚变实验堆(ITER)计划的对外发言人拉班科布伦茨(Laban Coblentz)在接受界面新闻采访时表示。

拉班指出，在这一进程中，中国有望发挥重要作用——中国在公共与私营领域均有多项布局，这些实践将与其他成员国一道，共同影响ITER未来的发展方向。

ITER是迄今为止全球规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一，其正在建造的实验反应堆基于托卡马克方案，目标是在地球上首次实现持续500MW、能量增益Q≥10的氘氚燃烧等离子体，验证聚变能成为未来大规模、清洁、安全能源的科学和工程可行性。

ITER项目于1985年正式启动，由35国合作开展，中国承担超导磁体、真空室等关键部件的制造工作。

“ITER像是所有成员国的国家实验室，如果我们把ITER与私营领域对立起来，认为这是一场竞争，这是非常短视的。”拉班认为，私营企业可以承担更高风险，建造更小、更灵活的装置。

“我们建造ITER已经花了25年，而像新奥这样的公司，每四年就能建一台新装置，所以我们非常愿意敞开大门，与私营领域共享知识、展开合作。”拉班称。

在其看来，新奥将球形环与氢硼聚变结合的技术路线，确实能规避氘氚聚变的诸多问题，但同时也需应对氢硼聚变自身特有的挑战。在这种情况下，没有任何一种技术路线能被绝对判定为最优，推动聚变技术进步的关键在于全球研究者携手合作、公开交流、取长补短，这才是推动聚变技术整体进步的最佳路径。