界面新聞?dòng)浾?｜ 戴晶晶

“‘玄龍-50U’兆安電流實(shí)驗(yàn)成功解決了電流產(chǎn)生和維持過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)難題，讓等離子體電流達(dá)到1兆安，溫度達(dá)到4000萬(wàn)度。這是全球首次實(shí)現(xiàn)兆安級(jí)氫硼等離子體放電。該成果驗(yàn)證了氫硼燃料在磁約束條件下實(shí)現(xiàn)高參數(shù)放電的科學(xué)可行性?！?/p>

4月20-23日，由中國(guó)核學(xué)會(huì)指導(dǎo)、中國(guó)核學(xué)會(huì)核聚變與等離子體物理分會(huì)主辦、新奧集團(tuán)承辦的第四屆“受控核聚變與人工智能技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議”在廊坊舉辦，新奧能源研究院院長(zhǎng)劉敏勝在4月21日的會(huì)議開(kāi)場(chǎng)致辭中介紹了新奧聚變裝置最新的進(jìn)展。

4月16日，新奧“玄龍-50U”球形環(huán)氫硼聚變裝置實(shí)驗(yàn)取得重大突破，實(shí)現(xiàn)了高溫高密度百萬(wàn)安培(兆安)等離子體電流。

“玄龍-50U”由新奧集團(tuán)自主設(shè)計(jì)建造，是在中國(guó)首座中等規(guī)模球形托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置“玄龍-50”的基礎(chǔ)上升級(jí)而來(lái)，于2024年1月24日實(shí)現(xiàn)首次等離子體放電。

2024年8月，“玄龍-50U”開(kāi)展的500千安培等離子體大電流實(shí)驗(yàn)取得成功，達(dá)成裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

“托卡馬克和球形環(huán)的一個(gè)核心機(jī)制是用等離子體電流來(lái)實(shí)現(xiàn)等離子體約束，所以電流越大，裝置整體性能越好。”

劉敏勝在4月21日接受界面新聞采訪時(shí)表示，達(dá)到兆安級(jí)電流的傳統(tǒng)托卡馬克裝置基本已處在世界前列水平。在球形環(huán)領(lǐng)域，目前全球只有英國(guó)的MAST-U、美國(guó)NSTX-U和新奧的“玄龍-50U”三個(gè)球形環(huán)裝置實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

“在2026年，我們要率先在這個(gè)裝置上實(shí)現(xiàn)氫硼聚變的反應(yīng)?！眲⒚魟僬f(shuō)。

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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，因此可控核聚變一直被認(rèn)為是人類解決能源問(wèn)題的重要出路，視為“終極能源”。

當(dāng)前可控核聚變技術(shù)路線主要有三種，包括重力場(chǎng)約束核聚變、激光慣性約束核聚變和磁約束核聚變。其中，磁約束核聚變目前研究的裝置包括托卡馬克、仿星器、反向場(chǎng)箍縮及磁鏡等。

托卡馬克被譽(yù)為“人造太陽(yáng)”，其裝置的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈，在通電時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場(chǎng)，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的目的。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。

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等離子體是指在高溫下，電子脫離原子核形成自由電子和離子的物質(zhì)狀態(tài)。

新奧集團(tuán)是中國(guó)最早開(kāi)展商用聚變能源開(kāi)發(fā)的民營(yíng)企業(yè)，自2017年以來(lái)聚變研發(fā)投入達(dá)40億元，為研發(fā)投入超2億美元(約合14.6億元人民幣)的全球八家聚變企業(yè)之一。

早在2019年，新奧建設(shè)的中國(guó)首座中等規(guī)模球形環(huán)聚變實(shí)驗(yàn)裝置“玄龍-50”就建成并實(shí)現(xiàn)等離子體放電。

“就整體磁約束路線而言，‘玄龍-50U’屬于大型裝置，國(guó)內(nèi)能做到1兆安的磁約束裝置，也就是全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)和‘中國(guó)環(huán)流三號(hào)’(HL-3)?！?/p>

4月21日，新奧聚變首席科學(xué)家彭元?jiǎng)P和新奧聚變實(shí)驗(yàn)首席科學(xué)家石躍江在接受界面新聞等媒體采訪時(shí)表示，“玄龍-50U”不僅達(dá)到了兆安級(jí)別，且是高溫度高參數(shù)的等離子體，驗(yàn)證了氫硼等離子體可以達(dá)到高參數(shù)，為后續(xù)的磁約束氫硼聚變實(shí)驗(yàn)奠定了很好開(kāi)端。

他們同時(shí)指出，此次突破的第二個(gè)貢獻(xiàn)是對(duì)未來(lái)的球形環(huán)和托卡馬克聚變堆實(shí)驗(yàn)計(jì)劃所面臨共性難題的支持。比如國(guó)際熱核聚變堆ITER計(jì)劃采用實(shí)時(shí)硼化的方法獲得穩(wěn)定的高參數(shù)等離子體，而氫硼放電也同時(shí)起到實(shí)時(shí)硼化的效果，“玄龍-50U”的結(jié)果對(duì)ITER等裝置的運(yùn)行也有重要的參考價(jià)值。

此外，玄龍-50U的非感應(yīng)電流啟動(dòng)和高效電流驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行模式也為球形環(huán)和托卡馬克反應(yīng)堆的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行提供了一種可能解決方案。

不同于國(guó)內(nèi)其他商業(yè)核聚變公司將氘氚作為聚變?nèi)剂?，新奧選擇了氫硼聚變技術(shù)路線，也就是通過(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。

氫硼聚變不產(chǎn)生放射性的中子，且氫硼儲(chǔ)量豐富容易獲取，但相較于氘氚聚變實(shí)現(xiàn)難度更大。

彭元?jiǎng)P和石躍江兩位專家介紹稱，氫硼聚變需要更高的等離子體溫度(約10-20億攝氏度，超過(guò)氘氚的1-2億攝氏度)和更優(yōu)化的磁場(chǎng)約束條件及等離子體溫度分布函數(shù)控制。

“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)?！眲⒚魟賹?duì)界面新聞表示，但在氫硼實(shí)現(xiàn)兆安級(jí)突破后，對(duì)這條路線未來(lái)商業(yè)化的信心就充分了。

新奧的核聚變商業(yè)化路線分為三步：第一步為2026年在“玄龍-50U”上實(shí)現(xiàn)氫硼聚變反應(yīng)；第二步是到2030年在下一代聚變裝置“和龍-2”實(shí)現(xiàn)全面的氫硼聚變；第三步是到2035年前實(shí)現(xiàn)工程可行性，將球形環(huán)氫硼聚變推進(jìn)到商業(yè)化。

國(guó)際上已有裝置明確實(shí)現(xiàn)了氫硼聚變。2023年3月，日本國(guó)立聚變科學(xué)研究所(NIFS)與美國(guó)聚變公司TAE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)。