武汉新能源研究院，已在创新奔跑中，步入第六个年头。

2016年，我们背靠华中科技大学电气学院、能源学院等多个优势学科，以成果转化为核心使命，市校共建了武汉新能源研究院。象征新能源之花的马蹄莲大楼，成为了光谷乃至湖北的创新地标。

过去六年，新能源研究院一直围绕两个大的方向性任务不懈探索：清洁能源的规模化利用和传统能源的清洁高效利用。一批重塑未来格局的源头创新，在这里发生；一批高质量的科技成果转化项目在这里崭露头角。

当前的武汉已全面吹响争创综合性国家科学中心、国家科技创新中心的号角，并启动建设光谷科技创新大走廊、东湖科技城，一批大科学装置规划，都与新能源密不可分。可以说，这是一场关于“新能源之都”的角逐，而如何用好新能源力量，共创低碳中国，更是未来城市角逐的主战场。

2022年，我们带着「INEW能见」专栏来了，在这里，每周和你分享我们的创新故事，能见=看见，能源未来。新能源创新发展之路，道阻且长，这是我们的使命，更是新的长征。

突破“卡脖子”，探索能源未知之地

探索和抵达能源的未知之地，突破“卡脖子技术”，实现更多的“从0到1”，是武汉新能源研究院的使命，也是初心。

在国家“双碳”及“以新能源为主体的新型电力系统”战略背景下，武汉新能源研究院以武汉市“965”产业发展规划为指引，以事业部为活跃创新主体、孵化企业为创新成果载体，重点布局新型电工器件与储能、先进电磁制造、碳捕获利用与储存、绿色氢能、新型电力系统、固废资源化处理等六大方向。

围绕源头创新，华中科技大学国家重大科技基础设施脉冲强磁场实验装置，已成为国际领先的脉冲强磁场装置之一；J-TEXT托卡马克核聚变装置，以磁约束核聚变的方式，探索形同终极能源的“人造太阳”，并积极参与了国际热核聚变实验堆ITER计划；华中科技大学教授、中英纳米能源材料研究中心执行主任谭必恩研发团队，突破性探索用有机聚合物做多孔纳米材料，成为世界上第一批展开这类研究的科学家之一。

武汉新能源研究院还与华中科技大学航空航天学院、武汉司南翼航公司合作，突破技术封锁及专利壁垒引进的两冲程重油航空发动机项目，填补了国内相关领域的技术空白，将广泛应用于军用和民用无人机及载人动力系统。

围绕碳捕集、利用与封存（CCUS）这一战略技术领域，华中科技大学等我国19家高校院所，与西弗吉尼亚大学等7家美国高校院所，在先进发电技术、大型碳捕集示范项目合作与知识共享、二氧化碳封存与利用、先进煤转化技术研发、系统分析与建模等五个领域，协同攻关已长达十年。

2021年，武汉新能源研究院紧随国家“碳达峰、碳中和”战略，加快布局“双碳”领域。近一年时间，能源院与中国电建集团江西省电力建设有限公司、武汉职业技术学院共建“碳中和产业学院”；成功举行了“3060全国碳市场启动仪式暨首届气候投融资高峰论坛”、“科创中国”2021 中国“双碳”高峰论坛、2021 年湖北双创活动周第 111 期光谷青桐汇“碳达峰、碳中和”等多场活动；并发起成立“武汉碳中和产学研促进会”，推动“双碳”产学研用纵深发展。

磁约束核聚变托卡马克装置

“人造太阳”，为人类终极能源而战

在古希腊传说中，太阳是天火，普罗米修斯将“天火”引到人间。

人类文明进入工业文明以来，几乎一直依赖化石能源驱动。但无论石油还是煤炭，终有开采殆尽的一天。届时，人类将何去何从？

不仅如此，在使用过程中，化石能源产生的大量温室气体和污染，也令地球生态岌岌可危。

多年以来，多国科学家一直致力于寻找一种“终极能源”，长远解决人类能源危机。

最终，大家将希望投向一切自然能源的起点——太阳。由于自身质量重、温度高、引力大，太阳通过连续发生氢聚变成氦的核聚变反应，最后产生光和热。巨大的质量，已支撑其燃烧了约46亿年，目前正值壮年。

太阳的核聚变，属于引力核聚变，在地球上无法复制。科学家希望模拟太阳的聚变原理，通过特殊的托卡马克装置，以磁约束核聚变的方式，造出“人造太阳”，控制并利用强大的聚变能。

过去5年，武汉新能源研究院在风、光、水、热等新能源的利用与成果转化上，已成为光谷乃至湖北的标杆。马蹄莲新能源大楼，更成为光谷地标性建筑。

但作为一家工业技术研究院，武汉新能源研究院的使命，不仅仅是“立地”，还要能“顶天”。所谓立地，就是实施科技成果转化，将成果推向市场，让“纸”变钱。而顶天，则是背靠华中科技大学优势学科，关注重大前沿基础研究和科技“无人区”，为未来谋远。

在华中科技大学聚变与等离子体研究所，华中科技大学电气与电子工程学院副院长张明，为我们掀开了实验室J-TEXT托卡马克装置的面纱。

高校第一：全程参与ITER计划

1988年，一项名为ITER的国际热核聚变实验堆计划，被正式提出。这项计划要挑战看似天方夜谭的任务——集结多国科学家力量，联手打造一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克装置，造出“人造太阳”。

托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形装置。它的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候，托卡马克内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到极高温度，以达到核聚变的目的。

按照设计，ITER将能利用50兆瓦的加热功率，产生500兆瓦的聚变功率。

但是，想要发生核聚变并不容易。作为目前世界最大的托卡马克装置，ITER需要加热到1亿摄氏度，才能引发等离子体的核聚变。太阳的表面温度约5500摄氏度，中心温度约2000万摄氏度，这意味着ITER的聚变温度，相当于太阳内核温度的5倍。

2003年，基于能源长远的基本需求，我国加入ITER计划谈判。该计划的成员国，包括中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国，覆盖的人口接近全球一半。

ITER是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程，华中科技大学全程参与了我国加入ITER计划的论证和筹备工作。

与此同时，还与ITER组织签署了《学术与科学合作协议》，承担了大量ITER国内配套研发项目，获得ITER专项、国家重点研发计划、973计划等项目与课题50余项。华中科技大学聚变与等离子体研究所（以下简称“聚变所”）多位成员，均为ITER物理研究组（ITPA）专家，曾派出科学家前往ITER负责弯晶谱仪诊断系统的研发。积极参与ITER极向场电源变流器的设计，解决ITER装置磁体电源变流器桥臂均流等多个设计难题，为变流器关键部件的研制提供了重要支撑。

就在中国加入ITER计划同年，华中科技大学建成了国内高校唯一、全国三大托卡马克装置之一的J-TEXT托卡马克装置。

在核聚变研究方面，我国实力最强的两家科研院所，一个是位于合肥的中科院等离子所，一个是位于成都的核工业西南物理研究院。华中科技大学作为磁约束核聚变教育部研究中心的挂靠单位，在国内也具有很强的影响力。

但截至目前，全世界的托卡马克装置，还没有一个实现聚变能，包括ITER。2021年7月28日，ITER的主机正式开始组装，国家主席习近平专程向ITER发去贺信。

类似于芯片的摩尔定律，近年来，托卡马克装置每隔几年性能就会翻倍。中国希望，能在2030年，攻克可以发电的中国聚变工程实验堆装置（CFETR），并在2050年，实现并网发电。

世界挑战：“人造太阳”的破裂研究

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在华中科技大学聚变与等离子体研究所，J-TEXT托卡马克装置几乎占满了一个高达几层楼的巨大实验室，看上去就像从太空飞船上拆下来的发动机。

在这个托卡马克装置的中心，是一个类似游泳圈的环形容器。核聚变的反应过程与核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘（dāo）和氚（chuān）之间发生的“氘氚聚变”。

托卡马克装置通电后，在极高温度下，“游泳圈”内会出现一道环形“闪电”，这道电弧就是等离子体。构成等离子体的氘原子核和氚原子核，因互相碰撞，会生成新的氦原子核，同时会产生中子，核聚变就发生了。

完全可控的核聚变，之所以迄今在全世界还未实现，就是因为极限挑战和不可控因素太多。例如聚变堆材料问题、聚变燃料氚的自持问题、等离子体破裂问题等等。

2007年，华中科技大学J-TEXT托卡马克装置点亮。目前，实验温度可达1500万摄氏度。

控制等离子体非常困难，相当于要控制一道闪电，还要把它牢牢地拴在里面。为了驾驭这道“闪电”，只能通过磁场来控制等离子体，用磁力线将其牵制悬浮在“游泳圈”的磁轴上。这种悬浮，需要精准调控每一毫秒的电流大小，让产生的磁力线刚好能让各个角度的力达到平衡。

即使“闪电”悬浮在磁轴中央，靠近圈壁的边缘温度依然极高。托卡马克中等离子体肉眼是不可见的，因为等离子体发出的不是可见光，它的发出的光的能量已经到了X射线的级别，在中心最高温度的极限处，用可见光相机拍摄到是黑色的，就像黑洞一样，温度较低的边缘反而能发出可见光，被相机拍摄到。

动辄千万度的温度，无法直接测量，科研人员多是通过等离子体辐射的X射线的强度、能谱或者电子回旋辐射强度，来推测等离子体的温度。

在庞大的世界级“人造太阳”工程中，聚变所的特色和主攻方向，是聚焦等离子体的破裂研究，即等离子体假如突然破裂消失，该怎么办。

现在比较棘手的是，等离子体破裂机理不明，不知道什么时候会破裂，突然消失。那么高的温度，带着很大的能量，一旦突然破裂，就会脱离磁场，不受控制。这些四溅的能量，大部分会以热负荷的形式作用在容器壁上，对容器产生极大的破坏。如果这些带电粒子在逃逸过程中产生一个电子束，集中打在某一点上，破坏性是致命的。

数据模拟显示，ITER一次大破裂所造成的损伤，预计与240公斤TNT炸药爆炸效果相当，相关修复费用至少达5亿元，耗时超过24个月。而未来聚变电站功率，将达到2GW，远超ITER的500MW水平，破裂毁伤效应会更大。托卡马克聚变能研发首要难题是破裂问题，如果无法攻克，将意味着现有聚变研发路径有较大风险。

聚焦等离子体的破裂研究，主要是基于已有装置的破裂进行数据挖掘，得到一些共性原因，判断它什么时候会破裂。同时通过计算机数据模拟，甚至训练人工智能算法，进行预测和预警。

在国家重点研发计划、国家磁约束核聚变能发展研究专项等项目资助下，针对破裂这一首要难题，聚变所联合多家单位进行协同攻关，取得了系统性创新和突破：

一是验证了利用高频三维脉冲磁场调控系统，来控制磁流体不稳定性的有效性，相关成果可为ITER提供全新、整套的磁流体不稳定性控制的中国解决方案。

二是成功实现了对逃逸电流的完全抑制与高效耗散，为装置的安全运行提供了重要支撑。

华中科技大学J-TEXT装置上的不稳定性和破裂缓解实验数据，已被ITER收录至破裂缓解定标数据库。

逐梦中子源：

解决聚变材料和聚变中子产氚两大技术难题

在国际上的托卡马克装置就像煤炉子，现在只点燃煤炉子下面的木头，煤还没烧着，还有很长的路要走。想把“炉子”点着，让“煤”稳定地自持燃烧，需要的加热功率非常高，加热成本也非常高。为了实现核聚变，一个兆瓦加热，大约需要2000万元。而ITER第一期就是75兆瓦，在这种功率下，才有可能达到上亿度的高温。

聚变能虽然被视作人类的终极能源，但还有两个重要技术问题没有解决：

一个是做聚变堆的材料，另一个聚变中子产制氚。

在“氘氚聚变”中，将产生大量中子。中子不带电，不受磁场的束缚，会穿透“游泳圈”逃逸出来。在这个过程中，携带巨大能量的中子会疯狂击打和穿越“游泳圈”，即中子辐照。因此，做“游泳圈”的材料，必须要承受核聚变中的中子辐照。目前还没有材料能扛得住这些中子的疯狂穿击，亟待突破。

中子“逃逸”以后，科学家们会在装置外进行“抓捕”，并让其减速慢化，类似装上刹车片。“刹车”的过程，又会摩擦生热，中子的能量，便被集中回收起来，变成热能，再转化为电能。只要核聚变不停止，中子就会不断逸出，人类对聚变能的使用，主要是通过这一方式。

“氘氚聚变”之所以被视作终极能源，是因为相对于核裂变，不会发生爆炸危险，不会产生放射性物质残留问题，同时氘元素在海水中取之不尽，不会像铀资源那样受到限制。

但是，氚却只能通过人工制备，从中子和锂反应中提取，仍然稀缺。目前产量只能维持氢弹使用，尚不足以作为能源支撑。

华中科技大学培育的聚变中子源项目，正在申请湖北省重大科技基础设施。这项大科学装置，主要就是为了解决聚变堆的两个关键技术问题：一是解决聚变堆材料的研发问题，二是解决聚变中子产氚的技术问题。

武汉新能源研究院是重要的成果转化平台，当前在聚变所研究中，特种电源技术对新能源的研究可以提供重要支撑。高压大电流的变流器，在未来特高压直流输电中可得到应用。等离子体相关技术，还可用于等离子体推进、聚变火箭发动机等，对未来人类实现深空探测也有重大意义。

等离子体还可以用于人工影响天气，比如等离子体人工增雨、等离子体人工消雾等。作为大科学装置，其控制系统技术、大数据采集与分析技术等，均可运用到未来新型电力系统的建设中。