武漢新能源研究院，已在創新奔跑中，步入第六個年頭。

2016年，我們背靠華中科技大學電氣學院、能源學院等多個優勢學科，以成果轉化為核心使命，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新地標。

過去六年，新能源研究院一直圍繞兩個大的方向性任務不懈探索：清潔能源的規?；煤蛡鹘y能源的清潔高效利用。一批重塑未來格局的源頭創新，在這里發生；一批高質量的科技成果轉化項目在這里嶄露頭角。

當前的武漢已全面吹響爭創綜合性國家科學中心、國家科技創新中心的號角，并啟動建設光谷科技創新大走廊、東湖科技城，一批大科學裝置規劃，都與新能源密不可分?？梢哉f，這是一場關于“新能源之都”的角逐，而如何用好新能源力量，共創低碳中國，更是未來城市角逐的主戰場。

2022年，我們帶著「INEW能見」專欄來了，在這里，每周和你分享我們的創新故事，能見=看見，能源未來。新能源創新發展之路，道阻且長，這是我們的使命，更是新的長征。

突破“卡脖子”，探索能源未知之地

探索和抵達能源的未知之地，突破“卡脖子技術”，實現更多的“從0到1”，是武漢新能源研究院的使命，也是初心。

在國家“雙碳”及“以新能源為主體的新型電力系統”戰略背景下，武漢新能源研究院以武漢市“965”產業發展規劃為指引，以事業部為活躍創新主體、孵化企業為創新成果載體，重點布局新型電工器件與儲能、先進電磁制造、碳捕獲利用與儲存、綠色氫能、新型電力系統、固廢資源化處理等六大方向。

圍繞源頭創新，華中科技大學國家重大科技基礎設施脈沖強磁場實驗裝置，已成為國際領先的脈沖強磁場裝置之一；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”，并積極參與了國際熱核聚變實驗堆ITER計劃；華中科技大學教授、中英納米能源材料研究中心執行主任譚必恩研發團隊，突破性探索用有機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家之一。

武漢新能源研究院還與華中科技大學航空航天學院、武漢司南翼航公司合作，突破技術封鎖及專利壁壘引進的兩沖程重油航空發動機項目，填補了國內相關領域的技術空白，將廣泛應用于軍用和民用無人機及載人動力系統。

圍繞碳捕集、利用與封存（CCUS）這一戰略技術領域，華中科技大學等我國19家高校院所，與西弗吉尼亞大學等7家美國高校院所，在先進發電技術、大型碳捕集示范項目合作與知識共享、二氧化碳封存與利用、先進煤轉化技術研發、系統分析與建模等五個領域，協同攻關已長達十年。

2021年，武漢新能源研究院緊隨國家“碳達峰、碳中和”戰略，加快布局“雙碳”領域。近一年時間，能源院與中國電建集團江西省電力建設有限公司、武漢職業技術學院共建“碳中和產業學院”；成功舉行了“3060全國碳市場啟動儀式暨首屆氣候投融資高峰論壇”、“科創中國”2021 中國“雙碳”高峰論壇、2021 年湖北雙創活動周第 111 期光谷青桐匯“碳達峰、碳中和”等多場活動；并發起成立“武漢碳中和產學研促進會”，推動“雙碳”產學研用縱深發展。

磁約束核聚變托卡馬克裝置

“人造太陽”，為人類終極能源而戰

在古希臘傳說中，太陽是天火，普羅米修斯將“天火”引到人間。

人類文明進入工業文明以來，幾乎一直依賴化石能源驅動。但無論石油還是煤炭，終有開采殆盡的一天。屆時，人類將何去何從？

不僅如此，在使用過程中，化石能源產生的大量溫室氣體和污染，也令地球生態岌岌可危。

多年以來，多國科學家一直致力于尋找一種“終極能源”，長遠解決人類能源危機。

最終，大家將希望投向一切自然能源的起點——太陽。由于自身質量重、溫度高、引力大，太陽通過連續發生氫聚變成氦的核聚變反應，最后產生光和熱。巨大的質量，已支撐其燃燒了約46億年，目前正值壯年。

太陽的核聚變，屬于引力核聚變，在地球上無法復制?？茖W家希望模擬太陽的聚變原理，通過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”，控制并利用強大的聚變能。

過去5年，武漢新能源研究院在風、光、水、熱等新能源的利用與成果轉化上，已成為光谷乃至湖北的標桿。馬蹄蓮新能源大樓，更成為光谷地標性建筑。

但作為一家工業技術研究院，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，就是實施科技成果轉化，將成果推向市場，讓“紙”變錢。而頂天，則是背靠華中科技大學優勢學科，關注重大前沿基礎研究和科技“無人區”，為未來謀遠。

在華中科技大學聚變與等離子體研究所，華中科技大學電氣與電子工程學院副院長張明，為我們掀開了實驗室J-TEXT托卡馬克裝置的面紗。

高校第一：全程參與ITER計劃

1988年，一項名為ITER的國際熱核聚變實驗堆計劃，被正式提出。這項計劃要挑戰看似天方夜譚的任務——集結多國科學家力量，聯手打造一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克裝置，造出“人造太陽”。

托卡馬克，是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形裝置。它的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候，托卡馬克內部會產生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到極高溫度，以達到核聚變的目的。

按照設計，ITER將能利用50兆瓦的加熱功率，產生500兆瓦的聚變功率。

但是，想要發生核聚變并不容易。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，才能引發等離子體的核聚變。太陽的表面溫度約5500攝氏度，中心溫度約2000萬攝氏度，這意味著ITER的聚變溫度，相當于太陽內核溫度的5倍。

2003年，基于能源長遠的基本需求，我國加入ITER計劃談判。該計劃的成員國，包括中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國，覆蓋的人口接近全球一半。

ITER是當今世界規模最大、影響最深遠的國際大科學工程，華中科技大學全程參與了我國加入ITER計劃的論證和籌備工作。

與此同時，還與ITER組織簽署了《學術與科學合作協議》，承擔了大量ITER國內配套研發項目，獲得ITER專項、國家重點研發計劃、973計劃等項目與課題50余項。華中科技大學聚變與等離子體研究所（以下簡稱“聚變所”）多位成員，均為ITER物理研究組（ITPA）專家，曾派出科學家前往ITER負責彎晶譜儀診斷系統的研發。積極參與ITER極向場電源變流器的設計，解決ITER裝置磁體電源變流器橋臂均流等多個設計難題，為變流器關鍵部件的研制提供了重要支撐。

就在中國加入ITER計劃同年，華中科技大學建成了國內高校唯一、全國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，我國實力最強的兩家科研院所，一個是位于合肥的中科院等離子所，一個是位于成都的核工業西南物理研究院。華中科技大學作為磁約束核聚變教育部研究中心的掛靠單位，在國內也具有很強的影響力。

但截至目前，全世界的托卡馬克裝置，還沒有一個實現聚變能，包括ITER。2021年7月28日，ITER的主機正式開始組裝，國家主席習近平專程向ITER發去賀信。

類似于芯片的摩爾定律，近年來，托卡馬克裝置每隔幾年性能就會翻倍。中國希望，能在2030年，攻克可以發電的中國聚變工程實驗堆裝置（CFETR），并在2050年，實現并網發電。

世界挑戰：“人造太陽”的破裂研究

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在華中科技大學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高達幾層樓的巨大實驗室，看上去就像從太空飛船上拆下來的發動機。

在這個托卡馬克裝置的中心，是一個類似游泳圈的環形容器。核聚變的反應過程與核裂變相反，是幾個原子核聚合成一個原子核的過程。只有較輕的原子核才能發生核聚變，比如氫的同位素氘（dāo）和氚（chuān）之間發生的“氘氚聚變”。

托卡馬克裝置通電后，在極高溫度下，“游泳圈”內會出現一道環形“閃電”，這道電弧就是等離子體。構成等離子體的氘原子核和氚原子核，因互相碰撞，會生成新的氦原子核，同時會產生中子，核聚變就發生了。

完全可控的核聚變，之所以迄今在全世界還未實現，就是因為極限挑戰和不可控因素太多。例如聚變堆材料問題、聚變燃料氚的自持問題、等離子體破裂問題等等。

2007年，華中科技大學J-TEXT托卡馬克裝置點亮。目前，實驗溫度可達1500萬攝氏度。

控制等離子體非常困難，相當于要控制一道閃電，還要把它牢牢地拴在里面。為了駕馭這道“閃電”，只能通過磁場來控制等離子體，用磁力線將其牽制懸浮在“游泳圈”的磁軸上。這種懸浮，需要精準調控每一毫秒的電流大小，讓產生的磁力線剛好能讓各個角度的力達到平衡。

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的，因為等離子體發出的不是可見光，它的發出的光的能量已經到了X射線的級別，在中心最高溫度的極限處，用可見光相機拍攝到是黑色的，就像黑洞一樣，溫度較低的邊緣反而能發出可見光，被相機拍攝到。

動輒千萬度的溫度，無法直接測量，科研人員多是通過等離子體輻射的X射線的強度、能譜或者電子回旋輻射強度，來推測等離子體的溫度。

在龐大的世界級“人造太陽”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。

現在比較棘手的是，等離子體破裂機理不明，不知道什么時候會破裂，突然消失。那么高的溫度，帶著很大的能量，一旦突然破裂，就會脫離磁場，不受控制。這些四濺的能量，大部分會以熱負荷的形式作用在容器壁上，對容器產生極大的破壞。如果這些帶電粒子在逃逸過程中產生一個電子束，集中打在某一點上，破壞性是致命的。

數據模擬顯示，ITER一次大破裂所造成的損傷，預計與240公斤TNT炸藥爆炸效果相當，相關修復費用至少達5億元，耗時超過24個月。而未來聚變電站功率，將達到2GW，遠超ITER的500MW水平，破裂毀傷效應會更大。托卡馬克聚變能研發首要難題是破裂問題，如果無法攻克，將意味著現有聚變研發路徑有較大風險。

聚焦等離子體的破裂研究，主要是基于已有裝置的破裂進行數據挖掘，得到一些共性原因，判斷它什么時候會破裂。同時通過計算機數據模擬，甚至訓練人工智能算法，進行預測和預警。

在國家重點研發計劃、國家磁約束核聚變能發展研究專項等項目資助下，針對破裂這一首要難題，聚變所聯合多家單位進行協同攻關，取得了系統性創新和突破：

一是驗證了利用高頻三維脈沖磁場調控系統，來控制磁流體不穩定性的有效性，相關成果可為ITER提供全新、整套的磁流體不穩定性控制的中國解決方案。

二是成功實現了對逃逸電流的完全抑制與高效耗散，為裝置的安全運行提供了重要支撐。

華中科技大學J-TEXT裝置上的不穩定性和破裂緩解實驗數據，已被ITER收錄至破裂緩解定標數據庫。

逐夢中子源：

解決聚變材料和聚變中子產氚兩大技術難題

在國際上的托卡馬克裝置就像煤爐子，現在只點燃煤爐子下面的木頭，煤還沒燒著，還有很長的路要走。想把“爐子”點著，讓“煤”穩定地自持燃燒，需要的加熱功率非常高，加熱成本也非常高。為了實現核聚變，一個兆瓦加熱，大約需要2000萬元。而ITER第一期就是75兆瓦，在這種功率下，才有可能達到上億度的高溫。

聚變能雖然被視作人類的終極能源，但還有兩個重要技術問題沒有解決：

一個是做聚變堆的材料，另一個聚變中子產制氚。

在“氘氚聚變”中，將產生大量中子。中子不帶電，不受磁場的束縛，會穿透“游泳圈”逃逸出來。在這個過程中，攜帶巨大能量的中子會瘋狂擊打和穿越“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，科學家們會在裝置外進行“抓捕”，并讓其減速慢化，類似裝上剎車片?！皠x車”的過程，又會摩擦生熱，中子的能量，便被集中回收起來，變成熱能，再轉化為電能。只要核聚變不停止，中子就會不斷逸出，人類對聚變能的使用，主要是通過這一方式。

“氘氚聚變”之所以被視作終極能源，是因為相對于核裂變，不會發生爆炸危險，不會產生放射性物質殘留問題，同時氘元素在海水中取之不盡，不會像鈾資源那樣受到限制。

但是，氚卻只能通過人工制備，從中子和鋰反應中提取，仍然稀缺。目前產量只能維持氫彈使用，尚不足以作為能源支撐。

華中科技大學培育的聚變中子源項目，正在申請湖北省重大科技基礎設施。這項大科學裝置，主要就是為了解決聚變堆的兩個關鍵技術問題：一是解決聚變堆材料的研發問題，二是解決聚變中子產氚的技術問題。

武漢新能源研究院是重要的成果轉化平臺，當前在聚變所研究中，特種電源技術對新能源的研究可以提供重要支撐。高壓大電流的變流器，在未來特高壓直流輸電中可得到應用。等離子體相關技術，還可用于等離子體推進、聚變火箭發動機等，對未來人類實現深空探測也有重大意義。

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。作為大科學裝置，其控制系統技術、大數據采集與分析技術等，均可運用到未來新型電力系統的建設中。