公司投資企業(yè)武漢新能源研究院，已在創(chuàng)新奔跑中，步入第六個(gè)年頭。
2016年，我們背靠華中科技大學(xué)電氣學(xué)院、能源學(xué)院等多個(gè)優(yōu)勢(shì)學(xué)科，以成果轉(zhuǎn)化為核心使命，市校共建了武漢新能源研究院。象征新能源之花的馬蹄蓮大樓，成為了光谷乃至湖北的創(chuàng)新地標(biāo)。
過(guò)去六年，新能源研究院一直圍繞兩個(gè)大的方向性任務(wù)不懈探索：清潔能源的規(guī)?；煤蛡鹘y(tǒng)能源的清潔高效利用。一批重塑未來(lái)格局的源頭創(chuàng)新，在這里發(fā)生；一批高質(zhì)量的科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目在這里嶄露頭角。
當(dāng)前的武漢已全面吹響爭(zhēng)創(chuàng)綜合性國(guó)家科學(xué)中心、國(guó)家科技創(chuàng)新中心的號(hào)角，并啟動(dòng)建設(shè)光谷科技創(chuàng)新大走廊、東湖科技城，一批大科學(xué)裝置規(guī)劃，都與新能源密不可分?？梢哉f(shuō)，這是一場(chǎng)關(guān)于“新能源之都”的角逐，而如何用好新能源力量，共創(chuàng)低碳中國(guó)，更是未來(lái)城市角逐的主戰(zhàn)場(chǎng)。
2022年，我們帶著「INEW能見(jiàn)」專欄來(lái)了，在這里，每周和你分享我們的創(chuàng)新故事，能見(jiàn)=看見(jiàn)，能源未來(lái)。新能源創(chuàng)新發(fā)展之路，道阻且長(zhǎng)，這是我們的使命，更是新的長(zhǎng)征。
突破“卡脖子”，探索能源未知之地
探索和抵達(dá)能源的未知之地，突破“卡脖子技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)更多的“從0到1”，是武漢新能源研究院的使命，也是初心。
在國(guó)家“雙碳”及“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”戰(zhàn)略背景下，武漢新能源研究院以武漢市“965”產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃為指引，以事業(yè)部為活躍創(chuàng)新主體、孵化企業(yè)為創(chuàng)新成果載體，重點(diǎn)布局新型電工器件與儲(chǔ)能、先進(jìn)電磁制造、碳捕獲利用與儲(chǔ)存、綠色氫能、新型電力系統(tǒng)、固廢資源化處理等六大方向。
圍繞源頭創(chuàng)新，華中科技大學(xué)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，已成為國(guó)際領(lǐng)先的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置之一；J-TEXT托卡馬克核聚變裝置，以磁約束核聚變的方式，探索形同終極能源的“人造太陽(yáng)”，并積極參與了國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER計(jì)劃；華中科技大學(xué)教授、中英納米能源材料研究中心執(zhí)行主任譚必恩研發(fā)團(tuán)隊(duì)，突破性探索用有機(jī)聚合物做多孔納米材料，成為世界上第一批展開這類研究的科學(xué)家之一。
武漢新能源研究院還與華中科技大學(xué)航空航天學(xué)院、武漢司南翼航公司合作，突破技術(shù)封鎖及專利壁壘引進(jìn)的兩沖程重油航空發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)空白，將廣泛應(yīng)用于軍用和民用無(wú)人機(jī)及載人動(dòng)力系統(tǒng)。
圍繞碳捕集、利用與封存（CCUS）這一戰(zhàn)略技術(shù)領(lǐng)域，華中科技大學(xué)等我國(guó)19家高校院所，與西弗吉尼亞大學(xué)等7家美國(guó)高校院所，在先進(jìn)發(fā)電技術(shù)、大型碳捕集示范項(xiàng)目合作與知識(shí)共享、二氧化碳封存與利用、先進(jìn)煤轉(zhuǎn)化技術(shù)研發(fā)、系統(tǒng)分析與建模等五個(gè)領(lǐng)域，協(xié)同攻關(guān)已長(zhǎng)達(dá)十年。
2021年，武漢新能源研究院緊隨國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略，加快布局“雙碳”領(lǐng)域。近一年時(shí)間，能源院與中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司、武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院共建“碳中和產(chǎn)業(yè)學(xué)院”；成功舉行了“3060全國(guó)碳市場(chǎng)啟動(dòng)儀式暨首屆氣候投融資高峰論壇”、“科創(chuàng)中國(guó)”2021 中國(guó)“雙碳”高峰論壇、2021 年湖北雙創(chuàng)活動(dòng)周第 111 期光谷青桐匯“碳達(dá)峰、碳中和”等多場(chǎng)活動(dòng)；并發(fā)起成立“武漢碳中和產(chǎn)學(xué)研促進(jìn)會(huì)”，推動(dòng)“雙碳”產(chǎn)學(xué)研用縱深發(fā)展。
磁約束核聚變托卡馬克裝置
“人造太陽(yáng)”，為人類終極能源而戰(zhàn)
在古希臘傳說(shuō)中，太陽(yáng)是天火，普羅米修斯將“天火”引到人間。
人類文明進(jìn)入工業(yè)文明以來(lái)，幾乎一直依賴化石能源驅(qū)動(dòng)。但無(wú)論石油還是煤炭，終有開采殆盡的一天。屆時(shí)，人類將何去何從？
不僅如此，在使用過(guò)程中，化石能源產(chǎn)生的大量溫室氣體和污染，也令地球生態(tài)岌岌可危。
多年以來(lái)，多國(guó)科學(xué)家一直致力于尋找一種“終極能源”，長(zhǎng)遠(yuǎn)解決人類能源危機(jī)。
最終，大家將希望投向一切自然能源的起點(diǎn)——太陽(yáng)。由于自身質(zhì)量重、溫度高、引力大，太陽(yáng)通過(guò)連續(xù)發(fā)生氫聚變成氦的核聚變反應(yīng)，最后產(chǎn)生光和熱。巨大的質(zhì)量，已支撐其燃燒了約46億年，目前正值壯年。
太陽(yáng)的核聚變，屬于引力核聚變，在地球上無(wú)法復(fù)制?？茖W(xué)家希望模擬太陽(yáng)的聚變?cè)?，通過(guò)特殊的托卡馬克裝置，以磁約束核聚變的方式，造出“人造太陽(yáng)”，控制并利用強(qiáng)大的聚變能。
過(guò)去5年，武漢新能源研究院在風(fēng)、光、水、熱等新能源的利用與成果轉(zhuǎn)化上，已成為光谷乃至湖北的標(biāo)桿。馬蹄蓮新能源大樓，更成為光谷地標(biāo)性建筑。
但作為一家工業(yè)技術(shù)研究院，武漢新能源研究院的使命，不僅僅是“立地”，還要能“頂天”。所謂立地，就是實(shí)施科技成果轉(zhuǎn)化，將成果推向市場(chǎng)，讓“紙”變錢。而頂天，則是背靠華中科技大學(xué)優(yōu)勢(shì)學(xué)科，關(guān)注重大前沿基礎(chǔ)研究和科技“無(wú)人區(qū)”，為未來(lái)謀遠(yuǎn)。
在華中科技大學(xué)聚變與等離子體研究所，華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院副院長(zhǎng)張明，為我們掀開了實(shí)驗(yàn)室J-TEXT托卡馬克裝置的面紗。
高校第一：全程參與ITER計(jì)劃
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1988年，一項(xiàng)名為ITER的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃，被正式提出。這項(xiàng)計(jì)劃要挑戰(zhàn)看似天方夜譚的任務(wù)——集結(jié)多國(guó)科學(xué)家力量，聯(lián)手打造一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克裝置，造出“人造太陽(yáng)”。
托卡馬克，是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形裝置。它的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時(shí)候，托卡馬克內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)，將其中的等離子體加熱到極高溫度，以達(dá)到核聚變的目的。
按照設(shè)計(jì)，ITER將能利用50兆瓦的加熱功率，產(chǎn)生500兆瓦的聚變功率。
但是，想要發(fā)生核聚變并不容易。作為目前世界最大的托卡馬克裝置，ITER需要加熱到1億攝氏度，才能引發(fā)等離子體的核聚變。太陽(yáng)的表面溫度約5500攝氏度，中心溫度約2000萬(wàn)攝氏度，這意味著ITER的聚變溫度，相當(dāng)于太陽(yáng)內(nèi)核溫度的5倍。
2003年，基于能源長(zhǎng)遠(yuǎn)的基本需求，我國(guó)加入ITER計(jì)劃談判。該計(jì)劃的成員國(guó)，包括中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)，覆蓋的人口接近全球一半。
ITER是當(dāng)今世界規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際大科學(xué)工程，華中科技大學(xué)全程參與了我國(guó)加入ITER計(jì)劃的論證和籌備工作。
與此同時(shí)，還與ITER組織簽署了《學(xué)術(shù)與科學(xué)合作協(xié)議》，承擔(dān)了大量ITER國(guó)內(nèi)配套研發(fā)項(xiàng)目，獲得ITER專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、973計(jì)劃等項(xiàng)目與課題50余項(xiàng)。華中科技大學(xué)聚變與等離子體研究所（以下簡(jiǎn)稱“聚變所”）多位成員，均為ITER物理研究組（ITPA）專家，曾派出科學(xué)家前往ITER負(fù)責(zé)彎晶譜儀診斷系統(tǒng)的研發(fā)。積極參與ITER極向場(chǎng)電源變流器的設(shè)計(jì)，解決ITER裝置磁體電源變流器橋臂均流等多個(gè)設(shè)計(jì)難題，為變流器關(guān)鍵部件的研制提供了重要支撐。
就在中國(guó)加入ITER計(jì)劃同年，華中科技大學(xué)建成了國(guó)內(nèi)高校唯一、全國(guó)三大托卡馬克裝置之一的J-TEXT托卡馬克裝置。
在核聚變研究方面，我國(guó)實(shí)力最強(qiáng)的兩家科研院所，一個(gè)是位于合肥的中科院等離子所，一個(gè)是位于成都的核工業(yè)西南物理研究院。華中科技大學(xué)作為磁約束核聚變教育部研究中心的掛靠單位，在國(guó)內(nèi)也具有很強(qiáng)的影響力。
但截至目前，全世界的托卡馬克裝置，還沒(méi)有一個(gè)實(shí)現(xiàn)聚變能，包括ITER。2021年7月28日，ITER的主機(jī)正式開始組裝，國(guó)家主席習(xí)近平專程向ITER發(fā)去賀信。
類似于芯片的摩爾定律，近年來(lái)，托卡馬克裝置每隔幾年性能就會(huì)翻倍。中國(guó)希望，能在2030年，攻克可以發(fā)電的中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆裝置（CFETR），并在2050年，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。
世界挑戰(zhàn)：“人造太陽(yáng)”的破裂研究
在華中科技大學(xué)聚變與等離子體研究所，J-TEXT托卡馬克裝置幾乎占滿了一個(gè)高達(dá)幾層樓的巨大實(shí)驗(yàn)室，看上去就像從太空飛船上拆下來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)。
在這個(gè)托卡馬克裝置的中心，是一個(gè)類似游泳圈的環(huán)形容器。核聚變的反應(yīng)過(guò)程與核裂變相反，是幾個(gè)原子核聚合成一個(gè)原子核的過(guò)程。只有較輕的原子核才能發(fā)生核聚變，比如氫的同位素氘（dāo）和氚（chuān）之間發(fā)生的“氘氚聚變”。
托卡馬克裝置通電后，在極高溫度下，“游泳圈”內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一道環(huán)形“閃電”，這道電弧就是等離子體。構(gòu)成等離子體的氘原子核和氚原子核，因互相碰撞，會(huì)生成新的氦原子核，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生中子，核聚變就發(fā)生了。
完全可控的核聚變，之所以迄今在全世界還未實(shí)現(xiàn)，就是因?yàn)闃O限挑戰(zhàn)和不可控因素太多。例如聚變堆材料問(wèn)題、聚變?nèi)剂想暗淖猿謫?wèn)題、等離子體破裂問(wèn)題等等。
2007年，華中科技大學(xué)J-TEXT托卡馬克裝置點(diǎn)亮。目前，實(shí)驗(yàn)溫度可達(dá)1500萬(wàn)攝氏度。
控制等離子體非常困難，相當(dāng)于要控制一道閃電，還要把它牢牢地拴在里面。為了駕馭這道“閃電”，只能通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)控制等離子體，用磁力線將其牽制懸浮在“游泳圈”的磁軸上。這種懸浮，需要精準(zhǔn)調(diào)控每一毫秒的電流大小，讓產(chǎn)生的磁力線剛好能讓各個(gè)角度的力達(dá)到平衡。
即使“閃電”懸浮在磁軸中央，靠近圈壁的邊緣溫度依然極高。托卡馬克中等離子體肉眼是不可見(jiàn)的，因?yàn)榈入x子體發(fā)出的不是可見(jiàn)光，它的發(fā)出的光的能量已經(jīng)到了X射線的級(jí)別，在中心最高溫度的極限處，用可見(jiàn)光相機(jī)拍攝到是黑色的，就像黑洞一樣，溫度較低的邊緣反而能發(fā)出可見(jiàn)光，被相機(jī)拍攝到。
動(dòng)輒千萬(wàn)度的溫度，無(wú)法直接測(cè)量，科研人員多是通過(guò)等離子體輻射的X射線的強(qiáng)度、能譜或者電子回旋輻射強(qiáng)度，來(lái)推測(cè)等離子體的溫度。
在龐大的世界級(jí)“人造太陽(yáng)”工程中，聚變所的特色和主攻方向，是聚焦等離子體的破裂研究，即等離子體假如突然破裂消失，該怎么辦。
現(xiàn)在比較棘手的是，等離子體破裂機(jī)理不明，不知道什么時(shí)候會(huì)破裂，突然消失。那么高的溫度，帶著很大的能量，一旦突然破裂，就會(huì)脫離磁場(chǎng)，不受控制。這些四濺的能量，大部分會(huì)以熱負(fù)荷的形式作用在容器壁上，對(duì)容器產(chǎn)生極大的破壞。如果這些帶電粒子在逃逸過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)電子束，集中打在某一點(diǎn)上，破壞性是致命的。
數(shù)據(jù)模擬顯示，ITER一次大破裂所造成的損傷，預(yù)計(jì)與240公斤TNT炸藥爆炸效果相當(dāng)，相關(guān)修復(fù)費(fèi)用至少達(dá)5億元，耗時(shí)超過(guò)24個(gè)月。而未來(lái)聚變電站功率，將達(dá)到2GW，遠(yuǎn)超ITER的500MW水平，破裂毀傷效應(yīng)會(huì)更大。托卡馬克聚變能研發(fā)首要難題是破裂問(wèn)題，如果無(wú)法攻克，將意味著現(xiàn)有聚變研發(fā)路徑有較大風(fēng)險(xiǎn)。
聚焦等離子體的破裂研究，主要是基于已有裝置的破裂進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，得到一些共性原因，判斷它什么時(shí)候會(huì)破裂。同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模擬，甚至訓(xùn)練人工智能算法，進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警。
在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)等項(xiàng)目資助下，針對(duì)破裂這一首要難題，聚變所聯(lián)合多家單位進(jìn)行協(xié)同攻關(guān)，取得了系統(tǒng)性創(chuàng)新和突破：
一是驗(yàn)證了利用高頻三維脈沖磁場(chǎng)調(diào)控系統(tǒng)，來(lái)控制磁流體不穩(wěn)定性的有效性，相關(guān)成果可為ITER提供全新、整套的磁流體不穩(wěn)定性控制的中國(guó)解決方案。
二是成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)逃逸電流的完全抑制與高效耗散，為裝置的安全運(yùn)行提供了重要支撐。
華中科技大學(xué)J-TEXT裝置上的不穩(wěn)定性和破裂緩解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，已被ITER收錄至破裂緩解定標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)。
逐夢(mèng)中子源：
解決聚變材料和聚變中子產(chǎn)氚兩大技術(shù)難題
在國(guó)際上的托卡馬克裝置就像煤爐子，現(xiàn)在只點(diǎn)燃煤爐子下面的木頭，煤還沒(méi)燒著，還有很長(zhǎng)的路要走。想把“爐子”點(diǎn)著，讓“煤”穩(wěn)定地自持燃燒，需要的加熱功率非常高，加熱成本也非常高。為了實(shí)現(xiàn)核聚變，一個(gè)兆瓦加熱，大約需要2000萬(wàn)元。而ITER第一期就是75兆瓦，在這種功率下，才有可能達(dá)到上億度的高溫。
聚變能雖然被視作人類的終極能源，但還有兩個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決：
一個(gè)是做聚變堆的材料，另一個(gè)聚變中子產(chǎn)制氚。
在“氘氚聚變”中，將產(chǎn)生大量中子。中子不帶電，不受磁場(chǎng)的束縛，會(huì)穿透“游泳圈”逃逸出來(lái)。在這個(gè)過(guò)程中，攜帶巨大能量的中子會(huì)瘋狂擊打和穿越“游泳圈”，即中子輻照。因此，做“游泳圈”的材料，必須要承受核聚變中的中子輻照。目前還沒(méi)有材料能扛得住這些中子的瘋狂穿擊，亟待突破。
中子“逃逸”以后，科學(xué)家們會(huì)在裝置外進(jìn)行“抓捕”，并讓其減速慢化，類似裝上剎車片?！皠x車”的過(guò)程，又會(huì)摩擦生熱，中子的能量，便被集中回收起來(lái)，變成熱能，再轉(zhuǎn)化為電能。只要核聚變不停止，中子就會(huì)不斷逸出，人類對(duì)聚變能的使用，主要是通過(guò)這一方式。
“氘氚聚變”之所以被視作終極能源，是因?yàn)橄鄬?duì)于核裂變，不會(huì)發(fā)生爆炸危險(xiǎn)，不會(huì)產(chǎn)生放射性物質(zhì)殘留問(wèn)題，同時(shí)氘元素在海水中取之不盡，不會(huì)像鈾資源那樣受到限制。
但是，氚卻只能通過(guò)人工制備，從中子和鋰反應(yīng)中提取，仍然稀缺。目前產(chǎn)量只能維持氫彈使用，尚不足以作為能源支撐。
華中科技大學(xué)培育的聚變中子源項(xiàng)目，正在申請(qǐng)湖北省重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。這項(xiàng)大科學(xué)裝置，主要就是為了解決聚變堆的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：一是解決聚變堆材料的研發(fā)問(wèn)題，二是解決聚變中子產(chǎn)氚的技術(shù)問(wèn)題。
武漢新能源研究院是重要的成果轉(zhuǎn)化平臺(tái)，當(dāng)前在聚變所研究中，特種電源技術(shù)對(duì)新能源的研究可以提供重要支撐。高壓大電流的變流器，在未來(lái)特高壓直流輸電中可得到應(yīng)用。等離子體相關(guān)技術(shù)，還可用于等離子體推進(jìn)、聚變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等，對(duì)未來(lái)人類實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)也有重大意義。
等離子體還可以用于人工影響天氣，比如等離子體人工增雨、等離子體人工消霧等。作為大科學(xué)裝置，其控制系統(tǒng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)等，均可運(yùn)用到未來(lái)新型電力系統(tǒng)的建設(shè)中。
