▲今年1月，“玄龙—50U”装置正式启用。
2017年启动紧凑型聚变技术探索；2018年至2019年自主设计建造国内首座中等规模球形环物理实验装置“玄龙—50”；2023年至2024年将“玄龙—50”装置升级为“玄龙—50U”，快速跻身国际大型磁约束实验平台先进行列……在传统能源领域深耕三十多年的新奥集团，从2017年开启聚变“新赛道”，短短7年耗资数十亿元，探索商用化聚变关键技术，除取得上述进展之外，目前还在并行开展整体参数更为领先的下一代球形环新装置——“和龙—2”设计与建设，远景目标是在2035年实现聚变商业化，助力中国发出聚变能源的第一度电。
因为燃料丰富、安全清洁、能效高等优点，聚变被认为是人类能源的理想选择。聚变路线众多，一直以来科学界和业界均主要聚焦攻关氘氚聚变，但在通往商用聚变的道路上仍存在诸多挑战。在此背景下，新奥为何独辟蹊径，探索氢硼聚变？
“龙”的探索，实验装置迭代升级
11月15日，《中国能源报》记者来到位于河北廊坊经济技术开发区的新奥聚变技术研发中心。刚刚于今年1月启用的“玄龙—50U”装置已于当天早上8时开启了一天的例行实验。在控制大厅内，主装置运行情况，装置内温度超千万摄氏度、被磁场约束着的等离子体实时状态，以及等离子体加热系统、诊断系统、电源系统等各子系统实验数据在显示屏上一览无余。
作为“玄龙—50”的升级版，“玄龙—50U”装置正式启用后，很快就获得了重复稳定的等离子体放电，并在今年8月全面达成装置设计的关键性能指标。
新奥能源研究院院长刘敏胜向《中国能源报》记者介绍，“玄龙—50U”的首要使命是实现等离子体稳定控制，探索在极限工况，也就是高参数下装置的物理性能和工程价值，为下一代装置“和龙—2”提供支撑。
“今年‘玄龙—50U’的实验进度比预期快，所以，提前完成既定使命后，我们又快速启动‘和龙—2’装置，将原本计划在‘和龙—2’上开展的氢硼聚变反应，提前到‘玄龙—50U’上先实现。”刘敏胜说，目前“和龙—2”的物理设计、工程设计都在推进中，这一阶段就要“对氢硼聚变进行科学可行性验证”。
逐梦“氢硼”，探索聚变新方案
所谓“聚变”，是指两个较轻的原子聚合为一个较重的原子，并释放出能量的过程。太阳的原理就是聚变反应，所以常常又把可控核聚变称作“人造太阳”。
当前，国内正在探索的磁约束托卡马克氘氚聚变、Z箍缩聚变裂变混合堆、磁约束球形环氢硼聚变等几种技术路线，在研究基础、建设进展、研究难点、预期节点等方面存在差异，处于研究开发的不同阶段，各具优势。
采访中，记者了解到，聚变燃料最常见的是氘氚，此外还有氘氘、氘氦、氢硼等。作为目前国际上主流的聚变实验装置之一，托卡马克装置就以氘氚聚变为主。全球最著名的实验性托卡马克核聚变反应堆就是耗资220亿美元、在法国南部建造的国际热核聚变实验反应堆（ITER），中国也参与其中。中国也建造了自己的托卡马克聚变实验装置，包括1985年开始陆续投用的环流器一号系列、二号系列，2007年投运的全超导托卡马克聚变实验装置（EAST），2020年建成的中国环流三号托卡马克（HL—3）装置，以及目前正在计划建造的聚变工程试验反应堆（CFETR）等。
据业内专家介绍，氘氚聚变在技术上相对容易实现，但是氚的来源极其有限，自然界仅微量存在，并不能通过开采获得，而且价格昂贵。而且，氚本身具有放射性，氚氘聚变过程中释放出的高能中子可能引发的再生放射性也不容小觑。同理，氘氘、氘氦聚变，或者因为在聚变过程中会产生高能中子（氘氘），或者因为原料（氦）稀缺等，均存在商业化落地制约。
新奥独辟蹊径，选择无中子、无放射性的氢硼聚变技术路线，采用球形环实验装置设计，以提升实验效率。新奥能源研究院聚变副总工程师杨圆明介绍，氢硼聚变所用燃料氢和硼储量丰富易获取，反应可以直接发电，过程中也不会释放高能中子。“理论上直接发电能量损失更低，发电效率更高。”
“氢硼聚变最大的问题是反应条件苛刻，技术难度大。作为企业，我们必须探索商业化可能性更大的技术路线。”刘敏胜坦言，新奥在低碳能源研究上积累了很多经验，也为行业积累了技术和研究人才，2017年对聚变技术的研发谋划清楚后就开始全力投入。
锚定“2035”，开放合作助力生态共赢
在刘敏胜看来，虽然目前日本和美国的科学实验已经实现了磁约束装置的氢硼反应，但氢硼聚变增益的科学可行性还需要验证。“这正是我们下一代装置‘和龙—2’的使命。”
随着探索逐步进入深水区，所需投入也越来越大。据介绍，截至目前，新奥在聚变实践探索方面已投入数十亿元，“和龙—2”所需投资还将翻番，达到百亿元规模，后续工程性验证平台所需投资将会更高，这一阶段的目标是实现氢硼燃烧和演示发电，解决工程放大问题和氢硼燃烧的能量增益问题。最终将锚定“在2035年，建成氢硼聚变商业示范堆”，既要探索低成本又要确保装置运行稳定可靠。
“所有能源产品，燃料往往占据成本的大头。但氢硼聚变在后期，也就是在商业化阶段并没有工程和大幅降本的问题，因为其燃料成本微乎其微。”刘敏胜说，现在对于氢硼聚变来说，核心就是验证科学可行性。“只有在‘和龙—2’上完成了科学可行性验证，我们才敢说2035年实现商业化的事，后续工作推进会容易很多。”
值得一提的是，今年以来，国务院国资委明确可控核聚变领域为未来能源的重要方向，这一政策指标无疑为我国探索商用聚变注入一剂“强心针”。2023年12月底，中核集团牵头的国家可控核聚变创新联合体正式成立，创新协同推进聚变能源产业迈出实质性步伐，新奥也加入了这个联合“创新战队”。
新奥坚持开放创新与行业共同发展，目前已经组建了一支300余人、老中青结合、国际化的聚变研发高端人才队伍，并与业内多家科研院所及诸多知名高校建立了良好的交流合作关系，并通过科研经费、设立奖学金等推动行业人才培养和聚变前沿领域的研究，助力中国聚变能源产业发展。
“聚变是人类的未来，也是前无古人的复杂系统科学与工程，需要我们以前所未有的力度去合作，以前所未有的勇气去创新突破。”刘敏胜说。
文丨本报记者 仝晓波
