【深度】超越临界：一场新的发电技术革命已经到来

19世纪初，蒸汽机曾轰轰烈烈地推动人类文明跃入了新的工业纪元。此刻，中国黔西乌蒙山区的一座钢铁厂里，超临界二氧化碳正酝酿着一场静默但深刻的能源革命。它穿过高温高压环境，平稳地推动涡轮机的叶片开始旋转进而发电，也推动着人类能源发展迎来了历史性的重要时刻——2025年12月20日，一种效率更高、系统更紧凑、响应更快速的发电技术在全球范围内首次实现了工程应用。

这就是中国核动力研究设计院研发的超临界二氧化碳发电技术——“超碳一号”。而这里是核动力院与济钢集团国际工程技术有限公司共同推进的全球首套2×15兆瓦超临界二氧化碳烧结余热发电工程现场。由于采用“超碳一号”技术进行余热回收，设备场地仅占原水蒸气发电机组的一半，但发电效率提升85%以上，净发电量提升50%以上。“这是真正意义上的新质生产力。”中核集团首席科学家、“超碳一号”总设计师黄彦平感慨道。

一张纸条点燃灵感

看着控制室大屏上累计运行时间不断地刷新增长，黄彦平的思绪却倒回了2009年的春末夏初。

在一次专题研讨会上，他接到孙玉发院士托人递来的一张纸条，提到超临界二氧化碳发电技术具有研究潜力，可以深入探索。一张小纸条，轻飘飘又沉甸甸的，承载了信任的重量。

彼时的黄彦平主攻超临界水冷堆的研究，用超临界二氧化碳代替水作为循环工质？他此前从未考虑过。这或许是实现发电技术变革的重要方向？在强烈的好奇心驱使下，他一头扎进这一前沿性的技术领域。

关于超临界二氧化碳动力系统，全球公开的研究资料寥寥无几，以往的研究经验也不再适用，黄彦平心里明白，这是一条少有人走、没人看好的道路。但他愿意做国内第一个探路的人。

液态二氧化碳经加温加压进入超临界状态，具有高密度、低粘度、无相变三个特点，随后在压气机和热源换热器中进一步提升压力与温度并喷入透平，推动叶片高速旋转，带动发电机发电。做功后经回热器和冷却器回收能量并冷却，返回压气机，再开始新一轮循环。这样做的好处是，发电系统将会更加小巧，效率更高，辅助系统更少，响应速度更快，且未来有望向更大功率、更高温应用场景拓展。

概念可行，潜力巨大，但如何实现？“那是坐‘冷板凳’的一段时光”，黄彦平这样形容研究的前期阶段。一切都要从零开始，他带领团队一点一点搭建技术基础理论和模型，一步一步攻关核心技术难题。其间，整个团队几乎完全依靠国家十分有限的科研经费艰难前行，行业内外基本没人看好超临界二氧化碳发电技术的研究，甚至听过相关概念的人都少之又少。被滚烫的热情和沉重的压力包裹，团队也一度濒临“临界点”。黄彦平不知疲倦地多方调研，谈技术、找合作，被团队成员戏称“打了鸡血”。

“但科研就是需要不间断的热情去暖化。”十年间，黄彦平经常把这句话挂在嘴边。团队成员进进出出，在无数次的试验中一次次失望，又一次次重整旗鼓。

终于，一个深夜的凌晨三点钟，正在出差的他接到了一个电话：“黄总，成了！”电话里的对方声音颤抖，黄彦平的手也跟着一起颤抖。一种酸涩感从心底漫过胸腔，刺激着他的眼睛。黄彦平没有立刻回话，他怕话一出口，眼泪也会掉下来。他一晚上没睡着，买了最早的航班飞回核动力院。看到机器还在转着，他揪着多年的心，终于放下了。

其实早在2017年，超临界二氧化碳发电技术就被美国能源局列为国家能源领域战略性前沿技术第2位，进行长期持续投资；2018年，超临界二氧化碳发电技术入选《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”。近年来，许多能源技术发达国家开展了大量超临界二氧化碳发电技术的研究，希望通过推动能源技术革新打造新一轮的产业发展机遇和行业壁垒。

这次，中国的“超碳一号”跑在了全世界前面。

不只是二氧化碳，

更是中国科研人员的志气

“这套2×15兆瓦超临界二氧化碳烧结余热发电机组配备了全球最大的换热器，它的研制难度可想而知。”在项目现场，核动力院二所五室主任宫厚军介绍道。

换热器用于实现热量传递，是超临界二氧化碳发电项目的核心设备之一。其需要被称为“工业母机”的真空扩散焊机才能制造出来。起初，超碳团队找遍了全国厂家，没有一家能够造出符合标准的扩散焊机。从国外进口的设备尺寸也不符合进一步工业化的设计要求。他们当下决定，要靠自己制备出完全国产化的大尺寸微通道扩散焊机。

为了用自主研制的扩散焊机焊接出符合要求的换热器芯体，在实验室灯光不息的829个日夜里，团队优化调整了27次技术方案，陆续克服了材料耐受性不足、焊接均匀度偏差、流道成型一致性失控等难题。

2021年底，试验迎来了关键节点。团队连续100多天奋战在车间，记录本上累计的焊接参数迭代了218版，光是报废的试验样件就堆满了半个仓库。项目负责人刘睿龙还记得，那时的他在城里的高校上博士基础课，每天一下课就直奔车间确认测试结果，但往往都是不好的消息。直到一个寒冷的凌晨，正在进行第49次工艺试验时，监测屏幕突然跳出了稳定的绿色曲线。他瞬间神经绷紧，心跳如雷，扶着眼镜反复核对闪烁的数据——换热器芯体符合标准！“成功了！”压抑了两年多的欢呼瞬间点燃了整个厂房。

有了换热器芯体，超碳团队很快研制出了全球单芯体长度最大的换热样机，其换热面积提升33%，热负荷提升27%，同比管壳式换热器体积缩小至十分之一。试验成功那天，黄彦平轻抚着换热器运行后温热的表面：“这里流过的不只是二氧化碳，更是中国科研人的志气！”

“科技创新是一场永不停歇的接力赛，需要强大的内驱力，更需要一种专注、忍耐、永不言弃的精神。”宫厚军说。一路走来，没有任何运行经验可循，没有现成的控制方法可用，核动力院集合了东方电气集团、西安交通大学、西北工业大学、清华大学、四川大学等国内优势企业和高校团队，形成了以超临界二氧化碳发电技术为核心的产学研共同体，先后完成对扩散焊接装备、高效紧凑换热器等欧美限制出口技术以及全新工质气动设计、推力平衡、干气密封、电磁轴承等关键问题的攻关，研制出全球首款磁悬浮超临界二氧化碳压缩机组和全球首款透平-发电机-压缩机一体集成的核心机，孵化了以陕西智拓固相增材制造有限公司为代表的高新技术初创企业，真正具备了国产化的精细设计和成套供货能力。

“创新就像爬山，虽然过程艰辛，但登顶后的风景一定值得。”这些突破不仅填补了国内空白，更使我国在超临界二氧化碳发电技术领域实现了从跟跑到领跑的跨越。

未来已来，

“超碳一号”重塑能源版图

见到超碳团队研究员刘旻昀时，他刚在“蓉漂杯”高层次人才创新创业大赛上做完技术分享，“好多人追着我加了微信，大家对超临界二氧化碳发电技术都很感兴趣。”他神采奕奕地说。

2022年夏，也是在一次类似的科技分享会上，济钢国际了解到超临界二氧化碳发电技术，发现这项技术能够显著提高烧结余热的利用效率，他们很快组队到核动力院进一步交流。在见证了核动力院的中试机组后，双方确定由济钢国际尽快寻找工业化应用场景，推动该技术的商业化落地。最终济钢国际与首钢水钢达成共识，为推动冶金行业余热利用的产业升级及发展新质生产力，三方共同启动了贵州六盘水烧结余热超临界二氧化碳发电示范项目的建设。

黄彦平曾粗略算了这样一笔账：在原烧结工艺没有变化的情况下，超临界二氧化碳技术比现役烧结余热蒸汽发电技术发电效率提升85%以上，净发电量提升50%以上。不仅如此，如果将这项技术应用于全国的烧结余热改造，预计每年可以节约标准煤约483万吨以上，减少二氧化碳排放1285万吨以上。

“本项目的顺利投产验证了‘超碳一号’的工程可行性，迈出了从实验室进入商业化应用的关键一步，为以水蒸气为主流工质的发电方式带来了新的选择，极具示范意义，为我国产业化升级提供了新的发力点。”济钢国际党委副书记栾元迪说。

在项目投产仪式上，首钢水钢总经理助理胡志祥动容地补充：“600多个日夜，终于换来了余热利用效率的大幅度提升，在原烧结工艺不变的情况下，企业通过该项目每年可多发7000余万度电，发电收入多出近三千万元人民币。”

超临界二氧化碳发电技术在国际上被认为是替代目前大规模使用的蒸汽发电装置、实现发电技术变革的革新性方向。其已被列入我国《“十四五”能源领域科技创新规划》，除了钢铁厂烧结机余热发电，还在光热发电等多个领域拥有广阔应用前景。

近年来我国风光发电装机规模大幅增长，但发电量规模增长相对滞后。截至2024年底，全国发电装机中风光发电装机占比42%，但实际发电量仅占全国总发电量的18%。这表明电力系统对波动性电源的消纳能力不足，仍然亟需新型储能发电技术填补灵活性缺口。

核动力院在2024年启动了“熔盐储能+超临界二氧化碳发电”示范项目，通过超临界二氧化碳发电技术与熔盐储能技术结合，用富余电力把低温熔盐升温至接近600℃，当电网发出用电指令，高温熔盐就通过超临界二氧化碳将热能快速转化为电能，不仅能多发约15%的电，还能为电网提供转动惯量，让电网更稳定。该项目已入选国家能源领域第五批首台（套）重大技术装备，预计2028年完成示范应用。在不远的将来，超临界二氧化碳技术将与更多热源组合成发电系统，在光热发电、余热发电、储能发电等领域走向应用。

“这么多年，我们经历了从别人‘看不懂’到‘看不起’再到‘追不上’的过程。”宫厚军这样概括“超碳一号”的研发历程。

闭合管道中，超临界二氧化碳还在静静流淌，经过高压高温的锤炼，一步一步前进，又一次一次推动，最终激发出点亮万家灯火的澎湃电力。这或许就是技术创新最动人的模样，是科研人员奋斗历程最浪漫的隐喻，更是中国科技自立自强最有力的写照。

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作者丨宣传文化中心核芯报道工作室 赵宇晗

图片丨核动力院

责编 | 王思淇

主编 | 刘洋

审校 | 李春平

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