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界面新聞編輯｜張慧 楊悅
十幾年前，新奧集團(tuán)(下稱新奧)在位于河北廊坊的總部，建了一棟內(nèi)部稱為“光伏樓”的廠房，想生產(chǎn)薄膜電池。
今年4月，界面新聞來(lái)到這個(gè)高德地圖標(biāo)為“新奧光伏”的地方，見到卻是“電磁診斷實(shí)驗(yàn)室”、“離子回旋實(shí)驗(yàn)室”和“中性束離子源標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室”等核物理設(shè)施，還有一臺(tái)布滿管道的聚變實(shí)驗(yàn)裝置“玄龍-50U”。
這家在業(yè)內(nèi)有“燃?xì)獯笸酢敝Q的民企，正在布局一種遠(yuǎn)比光伏激進(jìn)得多的未來(lái)——可控核聚變。
新奧在核聚變領(lǐng)域已耕耘八年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)300余人，包括海外高層次人才20余名、博士碩士人才200余名，投入資金40億元，可以說(shuō)是非國(guó)家隊(duì)背景中規(guī)模最大的核聚變商業(yè)公司。在運(yùn)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置“玄龍-50U”，初步計(jì)劃投資60億建造下一代聚變裝置“和龍-2”。
今年3月，一向低調(diào)的新奧在國(guó)際SCI收錄等離子體專業(yè)主流學(xué)術(shù)期刊《等離子體科學(xué)和技術(shù)》(Plasma Science and Technology，PST)上，發(fā)表13篇基于“和龍-2”實(shí)驗(yàn)裝置的物理設(shè)計(jì)論文，引起外界關(guān)注。
一家城燃公司挑戰(zhàn)“終極能源”讓人意外。
核聚變是輕原子核結(jié)合成較重原子核并放出巨大能量的過(guò)程。由于聚變?cè)牧腺Y源相對(duì)豐富，且無(wú)污染排放，可控核聚變一直被認(rèn)為是人類解決能源問題的重要出路。
目前全球所有的核電站均通過(guò)核裂變產(chǎn)生能量，而聚變釋放的能量約為裂變的四倍，燃煤的400萬(wàn)倍。
可控核聚變是一項(xiàng)“科幻級(jí)”技術(shù)，中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域起步晚，科研成果和人才都很稀缺。
今年4月，新奧宣布“玄龍-50U”突破百萬(wàn)安培(兆安)等離子體電流，為全球首次實(shí)現(xiàn)兆安級(jí)氫硼等離子體放電。
可控核聚變領(lǐng)域存在著一個(gè)著名的“50年悖論”，即距離實(shí)現(xiàn)可控核聚變永遠(yuǎn)只有50年，而新奧的目標(biāo)是，到2035年建成聚變商業(yè)示范堆。
新奧選擇的氫硼球形環(huán)聚變路線，比起主流的氘氚聚變實(shí)現(xiàn)難度更高，實(shí)驗(yàn)和工程化經(jīng)驗(yàn)更少，不少業(yè)內(nèi)人士評(píng)價(jià)新奧過(guò)于理想主義。
有業(yè)內(nèi)專家告訴界面新聞，氫硼是核聚變理想的終極燃料，新奧這是在替后人踩雷鋪路。也有人笑稱，新奧創(chuàng)始人兼董事局主席王玉鎖有點(diǎn)像中國(guó)的馬斯克，“但就連馬斯克都不投核聚變”。
王玉鎖目光投向核聚變前，已成為燃?xì)庑袠I(yè)風(fēng)云人物多年。
1993年，新奧將管道天然氣引入廊坊開發(fā)區(qū)，成為全國(guó)第一家進(jìn)軍城市公用事業(yè)的民營(yíng)企業(yè)。
隨著中國(guó)1998年后推進(jìn)公共事業(yè)改革、“西氣東輸”拉開帷幕，新奧走出廊坊，拿下幾十個(gè)城市的燃?xì)馓卦S經(jīng)營(yíng)權(quán)，企業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)張，最終穩(wěn)坐中國(guó)天然氣分銷行業(yè)龍頭。2001年，新奧燃?xì)?02688.HK，后更名為新奧能源)成功在香港上市。
新奧的燃?xì)鈽I(yè)務(wù)如日中天，王玉鎖卻很有危機(jī)感，他意識(shí)到除了特許經(jīng)營(yíng)權(quán)，新奧并沒有什么核心資源和技術(shù)，況且特許經(jīng)營(yíng)權(quán)最長(zhǎng)期限只有30年。
“隨時(shí)可能受到資源制約，十年后新奧賣什么？城市燃?xì)怃N售難以形成品牌，20年后新奧是什么？特許經(jīng)營(yíng)權(quán)到期，30年之后新奧干什么？”王玉鎖曾在一次公司高層會(huì)議上提出三個(gè)問題。
2004年起，他力排眾議發(fā)展“煤制氣”以擺脫上游氣源的掣肘，并著手生產(chǎn)清潔甲醇及二甲醚，研發(fā)微藻制備生物柴油、能源互聯(lián)網(wǎng)“泛能網(wǎng)”等技術(shù)。
2007年，王玉鎖還一度引進(jìn)美國(guó)產(chǎn)線押注非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池板，計(jì)劃投資140億元進(jìn)軍光伏。
除了在能源圈開疆拓土，新奧還陸續(xù)涉足數(shù)字化、房地產(chǎn)、旅游文化和健康行業(yè)，業(yè)務(wù)版圖眼花繚亂。熱衷前沿技術(shù)，也樂于投資具有潛力的領(lǐng)域。
王玉鎖并非杞人憂天。由于城燃特許經(jīng)營(yíng)權(quán)有限，新奧必須與華潤(rùn)燃?xì)?01193.HK)、中國(guó)燃?xì)?00384.HK)、港華燃?xì)?01083.HK)等對(duì)手“搶食”，2008年后，中石油下場(chǎng)，旗下“昆侖”系公司更是來(lái)勢(shì)洶洶。新奧也被國(guó)家隊(duì)昆侖能源(00135.HK)和華潤(rùn)燃?xì)?span>長(zhǎng)期壓制于老三的位置。
此外，隨著售氣規(guī)模擴(kuò)大，毛利率較高的接駁業(yè)務(wù)，在新奧收入中的占比不斷下降，攤薄了利潤(rùn)。加上政府對(duì)配氣價(jià)格、接駁費(fèi)收取監(jiān)管日趨嚴(yán)格，新奧的燃?xì)鈽I(yè)務(wù)很難維持高速增長(zhǎng)。
2005-2015年，新奧能源的城燃項(xiàng)目數(shù)量由59個(gè)增加至152個(gè)，覆蓋接駁人口數(shù)量從3238.7萬(wàn)提高至7153萬(wàn)。在這十年間，新奧能源的營(yíng)收增加了近14倍，凈利潤(rùn)僅增加5.7倍，毛利潤(rùn)率從37.27%下降至21.41%。
令人遺憾的是，除了泛能網(wǎng)成長(zhǎng)重要的獲利板塊以外，新奧砸入真金白銀的產(chǎn)業(yè)，大多沒能成氣候：光伏項(xiàng)目擱淺；煤制氣研發(fā)工作亦推進(jìn)緩慢，至今也未有太多商業(yè)化項(xiàng)目落地。
2017年，新奧不再追風(fēng)口，開始探索“無(wú)碳能源的顛覆性技術(shù)”，可控核聚變、深層地?zé)?、高效?chǔ)能、二維新材料等均悉數(shù)在列，最后錨定在了難度系數(shù)極高的核聚變。
機(jī)緣巧合之下，可控核聚變進(jìn)入王玉鎖的視野。
2016年，一家海外機(jī)構(gòu)通過(guò)國(guó)內(nèi)高校向王玉鎖推薦了一份核聚變方案，經(jīng)內(nèi)部論證后確定為是一份“行不通的忽悠方案”。但王玉鎖自此注意到了核聚變。
之后，在研發(fā)轉(zhuǎn)型的推動(dòng)下，新奧開始系統(tǒng)評(píng)估聚變技術(shù)的可行性，并逐步形成了團(tuán)隊(duì)和研發(fā)方向。
與此同時(shí)，聚變界也開始熱鬧起來(lái)。
2016年，谷歌旗下DeepMind團(tuán)隊(duì)研發(fā)的圍棋機(jī)器人AlphaGo戰(zhàn)勝世界圍棋冠軍李世石，深度學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能(AI)技術(shù)被廣泛應(yīng)用，“等離子體控制”等聚變難題迎來(lái)潛在解法。
2017年，位于安徽合肥的中國(guó)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變(EAST) 在全球首次實(shí)現(xiàn)了上百秒的穩(wěn)態(tài)高約束運(yùn)行模式。
2018年，衍生于麻省理工學(xué)院(MIT)的聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司(CFS)正式成立，開發(fā)高溫超導(dǎo)(HTS)磁體，為建造更緊湊、更便宜的核聚變裝置提供了可能。
2018年4月的一場(chǎng)研討會(huì)上，王玉鎖見到了退休回國(guó)在中科院等離子體物理研究所掛職的彭元?jiǎng)P，決定邀請(qǐng)他成為新奧核聚變團(tuán)隊(duì)的技術(shù)領(lǐng)頭人。
新奧是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)唯一一家準(zhǔn)備建造核聚變實(shí)驗(yàn)裝置的民營(yíng)企業(yè)。王玉鎖要為這個(gè)“異想天開”的計(jì)劃招賢納士。
彭元?jiǎng)P(Y.K. Martin Peng)是聚變界著名的華裔科學(xué)家，在美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)工作期間提出了球形托卡馬克(ST，又稱球形環(huán))約束概念，還擔(dān)任過(guò)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)國(guó)家球形環(huán)實(shí)驗(yàn)(NSTX)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。
2014年回國(guó)后，彭元?jiǎng)P先是在高校教書，后供職于研究所，但始終未能再參與有分量的聚變科研項(xiàng)目，與王玉鎖可以說(shuō)是一拍即合。
“與其等別人來(lái)顛覆新奧，不如由我們自己來(lái)顛覆自己，研發(fā)可持續(xù)、安全的清潔能源?！?/span>新奧能源研究院聚變技術(shù)首席科學(xué)家的彭元?jiǎng)P頭發(fā)花白，在接受界面新聞等媒體采訪時(shí)，回憶了當(dāng)時(shí)加入新奧的契機(jī)。
為了支撐這項(xiàng)“顛覆性”技術(shù)，新奧還招攬了原在中核西南物理研究院工作的袁保山、馮開明，德國(guó)于利希研究中心梁云峰，以及原美國(guó)TAE公司首席實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)略家郭后揚(yáng)等人加入專家團(tuán)隊(duì)。
過(guò)去幾年，在高溫超導(dǎo)、人工智能(AI)等技術(shù)突破的推動(dòng)下，全球核聚變初創(chuàng)公司涌現(xiàn)，行業(yè)融資規(guī)模水漲船高；業(yè)界不斷傳出實(shí)驗(yàn)裝置取得關(guān)鍵進(jìn)展的消息，甚至有企業(yè)將核聚變發(fā)電質(zhì)變點(diǎn)的時(shí)間線提前至2030年。
“熱潮”來(lái)臨，新奧的押注核聚變似乎是正確的選擇。
但一直以來(lái)，新奧以民營(yíng)企業(yè)入局，受到了諸多質(zhì)疑，主要原因是——它選擇的氫硼聚變路線太難了。
當(dāng)前可控核聚變技術(shù)路線主要有三種：重力場(chǎng)約束核聚變、激光慣性約束核聚變和磁約束核聚變。其中，利用磁約束核聚變研究裝置托卡馬克，實(shí)現(xiàn)氘氚聚變反應(yīng)，是當(dāng)前國(guó)際主流的研發(fā)技術(shù)。
新奧采用氫硼作為聚變?nèi)剂希ㄔ烨蛐苇h(huán)裝置。球形環(huán)是更接近球形的一種托卡馬克，相較于傳統(tǒng)托卡馬克(形狀接近輪胎)更緊湊。
有專家認(rèn)為，新奧的氫硼聚變要比氘氚難上一萬(wàn)倍。
這主要是由于實(shí)現(xiàn)氘氚反應(yīng)需要的聚變?nèi)胤e較小，約是5乘以10的21次方，而氫硼反應(yīng)的三重積比氘氚高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，反應(yīng)堆溫度要達(dá)到10-20億攝氏度才能實(shí)現(xiàn)燃燒。
三重積或Q值，是衡量核聚變裝置水平最關(guān)鍵的參數(shù)。
1957年，英國(guó)科學(xué)家J.勞森提出著名的勞森判據(jù)(Lawson criterion)，即為了實(shí)現(xiàn)自持核聚變，聚變裝置的能量增益因子Q應(yīng)當(dāng)不低于1，由此可以推導(dǎo)出自持核聚變的三重積(等離子體的溫度、密度和能量約束時(shí)間的乘積)需要達(dá)到的數(shù)值。
目前為止，全球連氘氚的聚變發(fā)電都未實(shí)現(xiàn)過(guò)，最好的實(shí)驗(yàn)成績(jī)還停留在上世紀(jì)。
日本的JT-60裝置以氘-氘為燃料，保持著目前全球最高的磁約束聚變?nèi)胤e記錄，約是1.5乘以10的21次方，聲稱等效氘氚已實(shí)現(xiàn)Q＞1。磁約束可控核聚變裝置中，實(shí)際投入氘氚燃料反應(yīng)創(chuàng)造的最高Q值紀(jì)錄為來(lái)自歐洲聯(lián)合環(huán)(JET)的0.67。
JT-60后來(lái)被升級(jí)成JT-60U，又于2009年被拆除，目前已重建成JT-60SA投入運(yùn)行。JET則在2023年全年開展了最后的氘-氚實(shí)驗(yàn)，啟動(dòng)了退役工作。
在中國(guó)，商業(yè)公司的裝置參數(shù)水平距離國(guó)家隊(duì)的EAST和“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”(HL-3)還有較大差距。界面新聞獲悉，目前“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”的三重積為國(guó)內(nèi)最高，達(dá)到了5乘以10的19次方。
新奧在過(guò)去八年鮮少對(duì)外公布的聚變實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，今年4月16日，新奧宣布“玄龍-50U”實(shí)現(xiàn)了高溫高密度百萬(wàn)安培(兆安)等離子體電流，等離子體電流達(dá)到1兆安，溫度達(dá)到4000萬(wàn)度。
作為對(duì)比，今年3月，同為托卡馬克路線的“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”(HL-3)國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)原子核溫度1.17億度、電子溫度1.6億度。
這給新奧帶來(lái)了巨大的鼓舞。
“很多人都認(rèn)為氫硼聚變難度大，等離子體性能低、參數(shù)低，離最后的(聚變)目標(biāo)很遠(yuǎn)?！?span>新奧能源研究院院長(zhǎng)劉敏勝對(duì)界面新聞表示，但在氫硼實(shí)現(xiàn)兆安級(jí)突破后，這條路線未來(lái)商業(yè)化的信心就充分了。
“我們的球形環(huán)氫硼等離子體在非常不同的運(yùn)行模式之下，獲得了這個(gè)領(lǐng)域里面從來(lái)沒有想象到的一些好結(jié)果，這創(chuàng)造了一個(gè)新的領(lǐng)域。”
彭元?jiǎng)P說(shuō)，新奧有決心在2035年運(yùn)行球形環(huán)氫硼的發(fā)電工程示范，這個(gè)目標(biāo)不變。
新奧的選擇也并非毫無(wú)根據(jù)，他們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)前期經(jīng)過(guò)了詳細(xì)的調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了包括場(chǎng)反位形(FRC)在內(nèi)的不同裝置，最終在2022年確定氫硼球形環(huán)路線。
這一技術(shù)有很大的優(yōu)勢(shì)：“無(wú)中子，低成本，燃料豐富”，商業(yè)化前景更佳。
“新奧之前有很多教訓(xùn)。投資一個(gè)新技術(shù)，要看未來(lái)有沒有可能性，而不是難度。難度問題可以解決，但商業(yè)邏輯是改不了的?！眲⒚魟偬峒?，之前新奧的微藻制備生物柴油技術(shù)已研發(fā)完成，但到2012-2013年左右就由于成本無(wú)法下降，項(xiàng)目被暫停。
新奧能源研究院聚變理論模擬首席科學(xué)家謝華生也對(duì)界面新聞指出，新奧一開始就瞄準(zhǔn)商業(yè)化目標(biāo)，成本必須足夠低，度電成本能達(dá)到0.07-0.08元，從這個(gè)角度來(lái)倒推商業(yè)計(jì)劃。
氫硼聚變是通過(guò)氫原子核和硼原子核的聚變反應(yīng)，產(chǎn)生3個(gè)帶正電的氦-4核，釋放大量能量，不產(chǎn)生放射性的中子。
在原料獲取上，除了常規(guī)的氫，新奧使用硼11作為燃料，后者已能量產(chǎn)。新奧稱，氫硼燃料在未來(lái)聚變發(fā)電中成本占比連千分之一都不到。
對(duì)于氘氚來(lái)說(shuō)，氘的來(lái)源相對(duì)豐富，但地球上的氚非常稀少，目前主要制備方法主要依賴于鋰-6同位素的核反應(yīng)，價(jià)格十分昂貴，且為國(guó)家管制材料。
另外，氘氚反應(yīng)產(chǎn)生高能中子，對(duì)材料的破壞性大，其具有的輻射性會(huì)產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，氘氚聚變輸出能量的75%-80%以中子形式存在，在轉(zhuǎn)換成電能時(shí)仍存在挑戰(zhàn)。
“在75年的聚變研發(fā)中，沒有人生產(chǎn)過(guò)哪怕一丁點(diǎn)電力。我說(shuō)的不是凈電力，而是任何電力。”據(jù)《財(cái)富》5月7日?qǐng)?bào)道，等離子體物理學(xué)家Daniel Jassby就對(duì)此提出質(zhì)疑，“從來(lái)沒有人能夠?qū)⒅凶愚Z擊轉(zhuǎn)化為電力?！?/span>
國(guó)內(nèi)一家聚變商業(yè)公司的負(fù)責(zé)人也向界面新聞稱，氫硼確實(shí)是更高級(jí)的聚變反應(yīng)，但他們選擇先實(shí)現(xiàn)氘氚，再進(jìn)階到氫硼。
全球亦有其它商業(yè)公司選擇了氫硼聚變路線，其中最有名的是1998年于美國(guó)成立的TAE Technologies。
2023年3月，TAE與日本國(guó)立聚變科學(xué)研究所(NIFS)合作，已首次在磁約束聚變等離子體中實(shí)現(xiàn)了氫硼聚變實(shí)驗(yàn)，測(cè)量出了反應(yīng)產(chǎn)物氦核(α粒子)，證明了無(wú)中子核聚變的可行性。
此外，彭元?jiǎng)P在1984年提出的球形環(huán)設(shè)計(jì)，通過(guò)重新排列磁鐵線圈降低長(zhǎng)徑比，能允許裝置用更低的磁場(chǎng)達(dá)到與傳統(tǒng)托卡馬克相同的三重積數(shù)。
“球形環(huán)的特點(diǎn)是對(duì)于空間的需求非常高，很難去布置氘氚聚變所需的中子防護(hù)或氚增殖材料，反而我們做氫硼就不需要去考慮這些，” 新奧集團(tuán)聚變副總工程師楊圓明告訴界面新聞，球形環(huán)與氫硼燃料適配度高，在尺寸規(guī)模上也更方便民營(yíng)企業(yè)建造。
作為第一家入局核聚變的民營(yíng)企業(yè)，新奧的進(jìn)度并不慢。
北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心特聘研究員康煒認(rèn)為，新奧作為民營(yíng)企業(yè)具有獨(dú)特的研發(fā)機(jī)制優(yōu)勢(shì)，能讓它在工程方面快速進(jìn)展。
“2018年10月開始做(玄龍-50)，什么都沒有，2019年7月機(jī)器放電成功，隨后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段，到現(xiàn)在(玄龍-50U)有了最新成果?！迸碓?jiǎng)P也感慨新奧的速度。
但新奧早已不是國(guó)內(nèi)唯一試圖爭(zhēng)奪能源圣杯的公司，目前中國(guó)已成立多家商業(yè)核聚變公司，包括陜西星環(huán)聚能科技有限公司、能量奇點(diǎn)能源科技(上海)有限公司、聚變新能(安徽)有限公司和瀚海聚能(成都)科技有限公司等。行業(yè)人才稀缺，新奧面臨著各方的競(jìng)爭(zhēng)。曾擔(dān)任新奧集團(tuán)副總裁、聚變研發(fā)CTO的郭后揚(yáng)，于2022年加入能量奇點(diǎn)并擔(dān)任首席技術(shù)官。
新奧選擇核聚變既是一場(chǎng)冒險(xiǎn)，又是出于公司未來(lái)發(fā)展而謹(jǐn)慎篩選出的選擇?！霸跊]有抓到兔子的時(shí)候，所有獵狗都有希望?！笨禑樥f(shuō)，畢竟當(dāng)前核聚變裝置還未有成功的工程驗(yàn)證。