界面新聞記者｜戴晶晶
界面新聞編輯｜張慧 楊悅
十幾年前，新奧集團(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，界面新聞來到這個高德地圖標為“新奧光伏”的地方，見到卻是“電磁診斷實驗室”、“離子回旋實驗室”和“中性束離子源標準實驗室”等核物理設施，還有一臺布滿管道的聚變實驗裝置“玄龍-50U”。
這家在業(yè)內(nèi)有“燃氣大王”之稱的民企，正在布局一種遠比光伏激進得多的未來——可控核聚變。
新奧在核聚變領域已耕耘八年，研發(fā)團隊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，可以說是非國家隊背景中規(guī)模最大的核聚變商業(yè)公司。在運核聚變實驗裝置“玄龍-50U”，初步計劃投資60億建造下一代聚變裝置“和龍-2”。
今年3月，一向低調(diào)的新奧在國際SCI收錄等離子體專業(yè)主流學術期刊《等離子體科學和技術》(Plasma Science and Technology，PST)上，發(fā)表13篇基于“和龍-2”實驗裝置的物理設計論文，引起外界關注。
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合成較重原子核并放出巨大能量的過程。由于聚變原材料資源相對豐富，且無污染排放，可控核聚變一直被認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400萬倍。
可控核聚變是一項“科幻級”技術，中國在這個領域起步晚，科研成果和人才都很稀缺。
今年4月，新奧宣布“玄龍-50U”突破百萬安培(兆安)等離子體電流，為全球首次實現(xiàn)兆安級氫硼等離子體放電。
可控核聚變領域存在著一個著名的“50年悖論”，即距離實現(xiàn)可控核聚變永遠只有50年，而新奧的目標是，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現(xiàn)難度更高，實驗和工程化經(jīng)驗更少，不少業(yè)內(nèi)人士評價新奧過于理想主義。
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像中國的馬斯克，“但就連馬斯克都不投核聚變”。
王玉鎖目光投向核聚變前，已成為燃氣行業(yè)風云人物多年。
1993年，新奧將管道天然氣引入廊坊開發(fā)區(qū)，成為全國第一家進軍城市公用事業(yè)的民營企業(yè)。
隨著中國1998年后推進公共事業(yè)改革、“西氣東輸”拉開帷幕，新奧走出廊坊，拿下幾十個城市的燃氣特許經(jīng)營權，企業(yè)規(guī)模不斷擴張，最終穩(wěn)坐中國天然氣分銷行業(yè)龍頭。2001年，新奧燃氣(02688.HK，后更名為新奧能源)成功在香港上市。
新奧的燃氣業(yè)務如日中天，王玉鎖卻很有危機感，他意識到除了特許經(jīng)營權，新奧并沒有什么核心資源和技術，況且特許經(jīng)營權最長期限只有30年。
“隨時可能受到資源制約，十年后新奧賣什么？城市燃氣銷售難以形成品牌，20年后新奧是什么？特許經(jīng)營權到期，30年之后新奧干什么？”王玉鎖曾在一次公司高層會議上提出三個問題。
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。
2007年，王玉鎖還一度引進美國產(chǎn)線押注非晶硅薄膜太陽能電池板，計劃投資140億元進軍光伏。
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)務版圖眼花繚亂。熱衷前沿技術，也樂于投資具有潛力的領域。
王玉鎖并非杞人憂天。由于城燃特許經(jīng)營權有限，新奧必須與華潤燃氣(01193.HK)、中國燃氣(00384.HK)、港華燃氣(01083.HK)等對手“搶食”，2008年后，中石油下場，旗下“昆侖”系公司更是來勢洶洶。新奧也被國家隊昆侖能源(00135.HK)和華潤燃氣長期壓制于老三的位置。
此外，隨著售氣規(guī)模擴大，毛利率較高的接駁業(yè)務，在新奧收入中的占比不斷下降，攤薄了利潤。加上政府對配氣價格、接駁費收取監(jiān)管日趨嚴格，新奧的燃氣業(yè)務很難維持高速增長。
2005-2015年，新奧能源的城燃項目數(shù)量由59個增加至152個，覆蓋接駁人口數(shù)量從3238.7萬提高至7153萬。在這十年間，新奧能源的營收增加了近14倍，凈利潤僅增加5.7倍，毛利潤率從37.27%下降至21.41%。
令人遺憾的是，除了泛能網(wǎng)成長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：光伏項目擱淺；煤制氣研發(fā)工作亦推進緩慢，至今也未有太多商業(yè)化項目落地。
2017年，新奧不再追風口，開始探索“無碳能源的顛覆性技術”，可控核聚變、深層地熱、高效儲能、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。
機緣巧合之下，可控核聚變進入王玉鎖的視野。
2016年，一家海外機構通過國內(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)轉型的推動下，新奧開始系統(tǒng)評估聚變技術的可行性，并逐步形成了團隊和研發(fā)方向。
與此同時，聚變界也開始熱鬧起來。
2016年，谷歌旗下DeepMind團隊研發(fā)的圍棋機器人AlphaGo戰(zhàn)勝世界圍棋冠軍李世石，深度學習、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能(AI)技術被廣泛應用，“等離子體控制”等聚變難題迎來潛在解法。
2017年，位于安徽合肥的中國全超導托卡馬克核聚變(EAST) 在全球首次實現(xiàn)了上百秒的穩(wěn)態(tài)高約束運行模式。
2018年，衍生于麻省理工學院(MIT)的聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司(CFS)正式成立，開發(fā)高溫超導(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月的一場研討會上，王玉鎖見到了退休回國在中科院等離子體物理研究所掛職的彭元凱，決定邀請他成為新奧核聚變團隊的技術領頭人。
新奧是當時國內(nèi)唯一一家準備建造核聚變實驗裝置的民營企業(yè)。王玉鎖要為這個“異想天開”的計劃招賢納士。
彭元凱(Y.K. Martin Peng)是聚變界著名的華裔科學家，在美國橡樹嶺國家實驗室(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，還擔任過普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)國家球形環(huán)實驗(NSTX)項目負責人。
2014年回國后，彭元凱先是在高校教書，后供職于研究所，但始終未能再參與有分量的聚變科研項目，與王玉鎖可以說是一拍即合。
“與其等別人來顛覆新奧，不如由我們自己來顛覆自己，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首席科學家的彭元凱頭發(fā)花白，在接受界面新聞等媒體采訪時，回憶了當時加入新奧的契機。
為了支撐這項“顛覆性”技術，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，德國于利希研究中心梁云峰，以及原美國TAE公司首席實驗戰(zhàn)略家郭后揚等人加入專家團隊。
過去幾年，在高溫超導、人工智能(AI)等技術突破的推動下，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)界不斷傳出實驗裝置取得關鍵進展的消息，甚至有企業(yè)將核聚變發(fā)電質(zhì)變點的時間線提前至2030年。
“熱潮”來臨，新奧的押注核聚變似乎是正確的選擇。
但一直以來，新奧以民營企業(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。
當前可控核聚變技術路線主要有三種：重力場約束核聚變、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，實現(xiàn)氘氚聚變反應，是當前國際主流的研發(fā)技術。
新奧采用氫硼作為聚變?nèi)剂?，建造球形環(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。
有專家認為，新奧的氫硼聚變要比氘氚難上一萬倍。
這主要是由于實現(xiàn)氘氚反應需要的聚變?nèi)胤e較小，約是5乘以10的21次方，而氫硼反應的三重積比氘氚高幾個數(shù)量級，反應堆溫度要達到10-20億攝氏度才能實現(xiàn)燃燒。
三重積或Q值，是衡量核聚變裝置水平最關鍵的參數(shù)。
1957年，英國科學家J.勞森提出著名的勞森判據(jù)(Lawson criterion)，即為了實現(xiàn)自持核聚變，聚變裝置的能量增益因子Q應當不低于1，由此可以推導出自持核聚變的三重積(等離子體的溫度、密度和能量約束時間的乘積)需要達到的數(shù)值。
目前為止，全球連氘氚的聚變發(fā)電都未實現(xiàn)過，最好的實驗成績還停留在上世紀。
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，聲稱等效氘氚已實現(xiàn)Q＞1。磁約束可控核聚變裝置中，實際投入氘氚燃料反應創(chuàng)造的最高Q值紀錄為來自歐洲聯(lián)合環(huán)(JET)的0.67。
JT-60后來被升級成JT-60U，又于2009年被拆除，目前已重建成JT-60SA投入運行。JET則在2023年全年開展了最后的氘-氚實驗，啟動了退役工作。
在中國，商業(yè)公司的裝置參數(shù)水平距離國家隊的EAST和“中國環(huán)流三號”(HL-3)還有較大差距。界面新聞獲悉，目前“中國環(huán)流三號”的三重積為國內(nèi)最高，達到了5乘以10的19次方。
新奧在過去八年鮮少對外公布的聚變實驗進展，今年4月16日，新奧宣布“玄龍-50U”實現(xiàn)了高溫高密度百萬安培(兆安)等離子體電流，等離子體電流達到1兆安，溫度達到4000萬度。
作為對比，今年3月，同為托卡馬克路線的“中國環(huán)流三號”(HL-3)國內(nèi)首次實現(xiàn)原子核溫度1.17億度、電子溫度1.6億度。
這給新奧帶來了巨大的鼓舞。
“很多人都認為氫硼聚變難度大，等離子體性能低、參數(shù)低，離最后的(聚變)目標很遠。”新奧能源研究院院長劉敏勝對界面新聞表示，但在氫硼實現(xiàn)兆安級突破后，這條路線未來商業(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行模式之下，獲得了這個領域里面從來沒有想象到的一些好結果，這創(chuàng)造了一個新的領域。”
彭元凱說，新奧有決心在2035年運行球形環(huán)氫硼的發(fā)電工程示范，這個目標不變。
新奧的選擇也并非毫無根據(jù)，他們的研發(fā)團隊前期經(jīng)過了詳細的調(diào)研和實驗，評估了包括場反位形(FRC)在內(nèi)的不同裝置，最終在2022年確定氫硼球形環(huán)路線。
這一技術有很大的優(yōu)勢：“無中子，低成本，燃料豐富”，商業(yè)化前景更佳。
“新奧之前有很多教訓。投資一個新技術，要看未來有沒有可能性，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已研發(fā)完成，但到2012-2013年左右就由于成本無法下降，項目被暫停。
新奧能源研究院聚變理論模擬首席科學家謝華生也對界面新聞指出，新奧一開始就瞄準商業(yè)化目標，成本必須足夠低，度電成本能達到0.07-0.08元，從這個角度來倒推商業(yè)計劃。
氫硼聚變是通過氫原子核和硼原子核的聚變反應，產(chǎn)生3個帶正電的氦-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，氫硼燃料在未來聚變發(fā)電中成本占比連千分之一都不到。
對于氘氚來說，氘的來源相對豐富，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，價格十分昂貴，且為國家管制材料。
另外，氘氚反應產(chǎn)生高能中子，對材料的破壞性大，其具有的輻射性會產(chǎn)生安全風險。同時，氘氚聚變輸出能量的75%-80%以中子形式存在，在轉換成電能時仍存在挑戰(zhàn)。
“在75年的聚變研發(fā)中，沒有人生產(chǎn)過哪怕一丁點電力。我說的不是凈電力，而是任何電力?！睋?jù)《財富》5月7日報道，等離子體物理學家Daniel Jassby就對此提出質(zhì)疑，“從來沒有人能夠將中子轟擊轉化為電力。”
國內(nèi)一家聚變商業(yè)公司的負責人也向界面新聞稱，氫硼確實是更高級的聚變反應，但他們選擇先實現(xiàn)氘氚，再進階到氫硼。
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年于美國成立的TAE Technologies。
2023年3月，TAE與日本國立聚變科學研究所(NIFS)合作，已首次在磁約束聚變等離子體中實現(xiàn)了氫硼聚變實驗，測量出了反應產(chǎn)物氦核(α粒子)，證明了無中子核聚變的可行性。
此外，彭元凱在1984年提出的球形環(huán)設計，通過重新排列磁鐵線圈降低長徑比，能允許裝置用更低的磁場達到與傳統(tǒng)托卡馬克相同的三重積數(shù)。
“球形環(huán)的特點是對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)模上也更方便民營企業(yè)建造。
作為第一家入局核聚變的民營企業(yè)，新奧的進度并不慢。
北京大學應用物理與技術研究中心特聘研究員康煒認為，新奧作為民營企業(yè)具有獨特的研發(fā)機制優(yōu)勢，能讓它在工程方面快速進展。
“2018年10月開始做(玄龍-50)，什么都沒有，2019年7月機器放電成功，隨后進入實驗階段，到現(xiàn)在(玄龍-50U)有了最新成果。”彭元凱也感慨新奧的速度。
但新奧早已不是國內(nèi)唯一試圖爭奪能源圣杯的公司，目前中國已成立多家商業(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爭。曾擔任新奧集團副總裁、聚變研發(fā)CTO的郭后揚，于2022年加入能量奇點并擔任首席技術官。
新奧選擇核聚變既是一場冒險，又是出于公司未來發(fā)展而謹慎篩選出的選擇?！霸跊]有抓到兔子的時候，所有獵狗都有希望?！笨禑樥f，畢竟當前核聚變裝置還未有成功的工程驗證。