「深度」“燃气大王”的可控核聚变之梦

界面新闻记者｜戴晶晶 界面新闻编辑｜张慧 杨悦

十几年前，新奥集团(下称新奥)在位于河北廊坊的总部，建了一栋内部称为“光伏楼”的厂房，想生产薄膜电池。

今年4月，界面新闻来到这个高德地图标为“新奥光伏”的地方，见到却是“电磁诊断实验室”、“离子回旋实验室”和“中性束离子源标准实验室”等核物理设施，还有一台布满管道的聚变实验装置“玄龙-50U”。

这家在业内有“燃气大王”之称的民企，正在下注一种远比光伏激进得多的未来——可控核聚变。

新奥在核聚变领域已耕耘八年，研发团队300余人，包括海外高层次人才20余名、博士硕士人才200余名，投入资金40亿元，可以说是非国家队背景中规模最大的核聚变商业公司。在运核聚变实验装置“玄龙-50U”，初步计划投资60亿建造下一代聚变装置“和龙-2”。

今年3月，一向低调的新奥在国际SCI收录等离子体专业主流学术期刊《等离子体科学和技术》(Plasma Science and Technology，PST)上，发表13篇基于“和龙-2”实验装置的物理设计论文，引起外界关注。

一家城燃公司挑战“终极能源”让人意外。

核聚变是轻原子核结合成较重原子核并放出巨大能量的过程。由于聚变原材料资源相对丰富，且无污染排放，可控核聚变一直被认为是人类解决能源问题的重要出路。

目前全球所有的核电站均通过核裂变产生能量，而聚变释放的能量约为裂变的四倍，燃煤的400万倍。

可控核聚变是一项“科幻级”技术，中国在这个领域起步晚，科研成果和人才都很稀缺。

今年4月，新奥宣布 “玄龙-50U”突破百万安培(兆安)等离子体电流，为全球首次 实现 兆安级 氢硼等离子体放电。

可控核聚变领域存在着一个著名的“50年悖论”，即距离实现可控核聚变永远只有50年，而新奥的目标是，到2035年建成聚变商业示范堆。

新奥选择的氢硼球形环聚变路线，比起主流的氘氚聚变实现难度更高，实验和工程化经验更少，不少业内人士评价新奥过于理想主义。

有业内专家告诉界面新闻，氢硼是核聚变理想的终极燃料，新奥这是在替后人踩雷铺路。也有人笑称，新奥创始人兼董事局主席王玉锁有点像中国的马斯克，“但就连马斯克都不投核聚变”。

王玉锁目光投向核聚变前，已成为燃气行业风云人物多年。

1993年，新奥将管道天然气引入廊坊开发区，成为全国第一家进军城市公用事业的民营企业。

随着中国1998年后推进公共事业改革、“西气东输”拉开帷幕，新奥走出廊坊，拿下几十个城市的燃气特许经营权，企业规模不断扩张，最终稳坐中国天然气分销行业龙头。2001年，新奥燃气(02688.HK，后更名为新奥能源)成功在香港上市。

新奥的燃气业务如日中天，王玉锁却很有危机感，他意识到除了特许经营权，新奥并没有什么核心资源和技术，况且特许经营权最长期限只有30年。

“随时可能受到资源制约，十年后新奥卖什么？城市燃气销售难以形成品牌，20年后新奥是什么？特许经营权到期，30年之后新奥干什么？”王玉锁曾在一次公司高层会议上提出三个问题。

2004年起，他力排众议发展“煤制气”以摆脱上游气源的掣肘，并着手生产清洁甲醇及二甲醚，研发微藻制备生物柴油、能源互联网“泛能网”等技术。

2007年，王玉锁还一度引进美国产线押注非晶硅薄膜太阳能电池板，计划投资140亿元进军光伏。

除了在能源圈开疆拓土，新奥还陆续涉足数字化、房地产、旅游文化和健康行业，业务版图眼花缭乱。热衷前沿技术，也乐于投资具有潜力的领域。

王玉锁并非杞人忧天。由于城燃特许经营权有限，新奥必须与华润燃气(01193.HK)、中国燃气(00384.HK)、港华燃气(01083.HK)等对手“抢食”，2008年后，中石油下场，旗下“昆仑”系公司更是来势汹汹。

为扩大市场份额，2011年，新奥联合中石化试图吞并中国燃气，但最终黯然出局，新奥也被国家队昆仑能源(00135.HK)和华润燃气长期压制于老三的位置。

此外，随着售气规模扩大，毛利率较高的接驳业务，在新奥收入中的占比不断下降，摊薄了利润。加上政府对配气价格、接驳费收取监管日趋严格，新奥的燃气业务很难维持高速增长。

2005-2015年，新奥能源的城燃项目数量由59个增加至152个，覆盖接驳人口数量从3238.7万提高至7153万。在这十年间，新奥能源的营收增加了近14倍，净利润仅增加5.7倍，毛利润率从37.27%下降至21.41%。

令人遗憾的是，除了泛能网成长重要的获利板块以外，新奥砸入真金白银的产业，大多没能成气候：押错技术风口的光伏项目搁浅，煤制气研发工作亦推进缓慢，至今也未有商业化项目落地。

2017年，新奥不再追风口，开始探索“无碳能源的颠覆性技术”，可控核聚变、深层地热、高效储能、二维新材料等均悉数在列，最后锚定在了难度系数极高的核聚变。

机缘巧合之下，可控核聚变进入王玉锁的视野。

2016年，一家海外机构通过国内高校向王玉锁推荐了一份核聚变方案，经内部论证后确定为是一份“行不通的忽悠方案”。但王玉锁自此注意到了核聚变。

之后，在研发转型的推动下，新奥开始系统评估聚变技术的可行性，并逐步形成了团队和研发方向。

与此同时，聚变界也开始热闹起来。

2016年，谷歌旗下DeepMind团队研发的围棋机器人AlphaGo战胜世界围棋冠军李世石，深度学习、人工神经网络等人工智能(AI)技术被广泛应用，“等离子体控制”等聚变难题迎来潜在解法。

2017年，位于安徽合肥的中国全超导托卡马克核聚变(EAST) 在全球首次实现了上百秒的稳态高约束运行模式。

2018年，衍生于麻省理工学院(MIT)的联邦聚变系统公司(CFS)正式成立，开发高温超导(HTS)磁体，为建造更紧凑、更便宜的核聚变装置提供了可能。

2018年4月的一场研讨会上，王玉锁见到了退休回国在中科院等离子体物理研究所挂职的彭元凯，决定邀请他成为新奥核聚变团队的技术领头人。

新奥是当时国内唯一一家准备建造核聚变实验装置的民营企业。王玉锁要为这个“异想天开”的计划招贤纳士。

彭元凯(Y.K. Martin Peng)是聚变界著名的华裔科学家，在美国橡树岭国家实验室(ORNL)工作期间提出了球形托卡马克(ST，又称球形环)约束概念，还担任过普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)国家球形环实验(NSTX)项目负责人。

2014年回国后，彭元凯先是在高校教书，后供职于研究所，但始终未能再参与有分量的聚变科研项目，与王玉锁可以说是一拍即合。

“与其等别人来颠覆新奥，不如由我们自己来颠覆自己，研发可持续、安全的清洁能源。”新奥能源研究院聚变技术首席科学家的彭元凯头发花白，在接受界面新闻等媒体采访时，回忆了当时加入新奥的契机。

为了支撑这项“颠覆性”技术，新奥还招揽了原在中核西南物理研究院工作的袁保山、冯开明，德国于利希研究中心梁云峰，以及原美国TAE公司首席实验战略家郭后扬等人加入专家团队。

过去几年，在高温超导、人工智能(AI)等技术突破的推动下，全球核聚变初创公司涌现，行业融资规模水涨船高；业界不断传出实验装置取得关键进展的消息，甚至有企业将核聚变发电质变点的时间线提前至2030年。

“热潮”来临，新奥的押注核聚变似乎是正确的选择。

但一直以来，新奥以民营企业入局，受到了诸多质疑，主要原因是——它选择的氢硼聚变路线太难了。

当前可控核聚变技术路线主要有三种：重力场约束核聚变、激光惯性约束核聚变和磁约束核聚变。其中，利用磁约束核聚变研究装置托卡马克，实现氘氚聚变反应，是当前国际主流的研发技术。

新奥采用氢硼作为聚变燃料，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。

有专家认为，新奥的氢硼聚变要比氘氚难上一万倍。

这主要是由于实现氘氚反应需要的聚变三重积较小，约是5乘以10的21次方，而氢硼反应的三重积比氘氚高几个数量级，反应堆温度要达到10-20亿摄氏度才能实现燃烧。

三重积或Q值，是衡量核聚变装置水平最关键的参数。

1957年，英国科学家J.劳森提出著名的劳森判据(Lawson criterion)，即为了实现自持核聚变，聚变装置的能量增益因子Q应当不低于1，由此可以推导出自持核聚变的三重积(等离子体的温度、密度和能量约束时间的乘积)需要达到的数值。

目前为止，全球连氘氚的聚变发电都未实现过，最好的实验成绩还停留在上世纪。

日本的JT-60装置以氘-氘为燃料，保持着目前全球最高的磁约束聚变三重积记录，约是1.5乘以10的21次方，声称等效氘氚已实现Q＞1。磁约束可控核聚变装置中，实际投入氘氚燃料反应创造的最高Q值纪录为来自欧洲联合环(JET)的0.67。

JT-60后来被升级成JT-60U，又于2009年被拆除， 目前已重建成JT-60SA投入运行。JET则在2023年全年开展了最后的氘-氚实验，启动了退役工作。

在中国，商业公司的装置参数水平距离国家队的EAST和“中国环流三号”(HL-3)还有较大差距。界面新闻获悉，目前“中国环流三号”的三重积为国内最高，达到了5乘以10的19次方。

新奥在过去八年鲜少对外公布的聚变实验进展，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。

作为对比，今年3月，同为托卡马克路线的“中国环流三号”(HL-3) 国内首次实现原子核温度 1.17亿度、电子温度 1.6亿度。

这给新奥带来了巨大的鼓舞。

“很多人都认为氢硼聚变难度大，等离子体性能低、参数低，离最后的(聚变)目标很远。”新奥能源研究院院长刘敏胜对界面新闻表示，但在氢硼实现兆安级突破后，这条路线未来商业化的信心就充分了。

“我们的球形环氢硼等离子体在非常不同的运行模式之下，获得了这个领域里面从来没有想象到的一些好结果，这创造了一个新的领域。”

彭元凯说，新奥有决心在2035年运行球形环氢硼的发电工程示范，这个目标不变。

新奥的选择也并非毫无根据，他们的研发团队前期经过了详细的调研和实验，评估了包括场反位形(FRC)在内的不同装置，最终在2022年确定氢硼球形环路线。

这一技术有很大的优势：“无中子，低成本，燃料丰富”，商业化前景更佳。

“新奥之前有很多教训。投资一个新技术，要看未来有没有可能性，而不是难度。难度问题可以解决，但商业逻辑是改不了的。”刘敏胜提及，之前新奥的微藻制备生物柴油技术已研发完成，但到2012-2013年左右就由于成本无法下降，项目被暂停。

新奥能源研究院聚变理论模拟首席科学家谢华生也对界面新闻指出，新奥一开始就瞄准商业化目标，成本必须足够低，度电成本能达到0.07-0.08元，从这个角度来倒推商业计划。

氢硼聚变是通过氢原子核和硼原子核的聚变反应，产生3个带正电的氦-4核，释放大量能量，不产生放射性的中子。

在原料获取上，除了常规的氢，新奥使用硼11作为燃料，后者已能量产。新奥称，氢硼燃料在未来聚变发电中成本占比连千分之一都不到。

对于氘氚来说，氘的来源相对丰富，但地球上的氚非常稀少，目前主要制备方法主要依赖于锂-6同位素的核反应，价格十分昂贵，且为国家管制材料。

另外，氘氚反应产生高能中子，对材料的破坏性大，其具有的辐射性会产生安全风险。同时，氘氚聚变输出能量的75%-80%以中子形式存在，在转换成电能时仍存在挑战。

“在75年的聚变研发中，没有人生产过哪怕一丁点电力。我说的不是净电力，而是任何电力。”据《财富》5月7日报道，等离子体物理学家Daniel Jassby就对此提出质疑，“从来没有人能够将中子轰击转化为电力。”

国内一家聚变商业公司的负责人也向界面新闻称，氢硼确实是更高级的聚变反应，但他们选择先实现氘氚，再进阶到氢硼。

全球亦有其它商业公司选择了氢硼聚变路线，其中最有名的是1998年于美国成立的TAE Technologies。

2023年3月，TAE与日本国立聚变科学研究所(NIFS)合作，已首次在磁约束聚变等离子体中实现了氢硼聚变实验，测量出了反应产物氦核(α粒子)，证明了无中子核聚变的可行性。

此外，彭元凯在1984年提出的球形环设计，通过重新排列磁铁线圈降低长径比，能允许装置用更低的磁场达到与传统托卡马克相同的三重积数。

“球形环的特点是对于空间的需求非常高，很难去布置氘氚聚变所需的中子防护或氚增殖材料，反而我们做氢硼就不需要去考虑这些，” 新奥集团聚变副总工程师杨圆明告诉界面新闻，球形环与氢硼燃料适配度高，在尺寸规模上也更方便民营企业建造。

作为第一家入局核聚变的民营企业，新奥的进度并不慢。

北京大学应用物理与技术研究中心特聘研究员康炜认为，新奥作为民营企业具有独特的研发机制优势，能让它在工程方面快速进展。

“2018年10月开始做(玄龙-50)，什么都没有，2019年7月机器放电成功，随后进入实验阶段，到现在(玄龙-50U)有了最新成果。”彭元凯也感慨新奥的速度。

但新奥早已不是国内唯一试图争夺能源圣杯的公司，目前中国已成立多家商业核聚变公司，包括陕西星环聚能科技有限公司、能量奇点能源科技(上海)有限公司、聚变新能(安徽)有限公司和瀚海聚能(成都)科技有限公司等。行业人才稀缺，新奥面临着各方的竞争。曾担任新奥集团副总裁、聚变研发CTO的郭后扬，于2022年加入能量奇点并担任首席技术官。

新奥选择核聚变既是一场冒险，又是出于公司未来发展而谨慎筛选出的选择。“在没有抓到兔子的时候，所有猎狗都有希望。”康炜说，毕竟当前核聚变装置还未有成功的工程验证。