編者按

你相信嗎？我們?nèi)粘Ｊ熘亩趸?，正以全新角色賦能能源利用！前不久，全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機組“超碳一號”在貴州六盤水成功投運。這項革命性技術(shù)并非直接用二氧化碳發(fā)電，而是將其作為能量傳遞和熱功轉(zhuǎn)換的高效循環(huán)介質(zhì)，讓這一溫室氣體變身發(fā)電“好幫手”，既突破了傳統(tǒng)“燒開水”的發(fā)電模式，更能高效回收工業(yè)余熱實現(xiàn)節(jié)能降碳，也標(biāo)志著中國在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全球領(lǐng)跑。

本期，中國科協(xié)之聲獨家專訪“超碳一號”總設(shè)計師、中核集團(tuán)首席科學(xué)家黃彥平，聽他講述十六年科研路上的難關(guān)、困境與堅持。

專家簡介

黃彥平，研究員，中核集團(tuán)首席科學(xué)家，超碳一號總設(shè)計師，長期從事先進(jìn)核動力和新型能量轉(zhuǎn)換技術(shù)科學(xué)理論、技術(shù)創(chuàng)新與工程應(yīng)用研究，帶領(lǐng)團(tuán)隊通過十六年技術(shù)攻關(guān)和自主研發(fā)，攻克了超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)從理論到工藝的全鏈條貫通，將超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)從實驗室推向了工程應(yīng)用。

黃彥平先后獲得國家科技進(jìn)步獎一等獎、國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎、錢三強科技獎等榮譽。

一張便簽，打開新世界

2009年春天，黃彥平收到一張改變他科研軌跡的手寫便簽。

便簽來自中國工程院孫玉發(fā)院士，上面只有一句話：“美國正在研究超臨界二氧化碳發(fā)電，很多人覺得不可能，你是否愿意試試？”

彼時的黃彥平已在第四代核能系統(tǒng)的超臨界水堆領(lǐng)域深耕多年。用二氧化碳發(fā)電？他敏銳地意識到其中的革命性潛力。

物質(zhì)除了固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三態(tài)，還有第四態(tài)——超臨界態(tài)。當(dāng)二氧化碳被加壓到73個大氣壓以上、加熱到31攝氏度以上，它會進(jìn)入一種奇特狀態(tài)，化身為“超碳”：既有液體般的高密度，又有氣體般的低粘度。

“就像給二氧化碳穿上了超級英雄戰(zhàn)衣，”黃彥平說。

不論是傳統(tǒng)的火力發(fā)電還是先進(jìn)的核電技術(shù)，以及各類余熱蒸汽發(fā)電，原理都類似于“燒開水”，就是用熱量將水變?yōu)樗魵?，推動汽輪機轉(zhuǎn)動來發(fā)電。

但“超碳”作為介質(zhì)，進(jìn)入透平機，瞬間膨脹推動葉片高速旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。一旦實現(xiàn)，相比之前的燒結(jié)余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)，以“超碳”為介質(zhì)的新形式發(fā)電效率提升85%以上，凈發(fā)電量提升50%以上。

但現(xiàn)實很快潑來冷水。全球相關(guān)文獻(xiàn)少得可憐——最早的是1948年瑞典學(xué)者的概念研究，1967年美國人論證了可行性，但都停留在紙面。能查到的資料，大多是萃取香料、石油壓裂等應(yīng)用。

黃彥平帶著唯一一名研究生，組成了最初的“兩人團(tuán)隊”。

沒有理論體系，就從熱力學(xué)基本定律重新推導(dǎo)。沒有物性數(shù)據(jù)，就聯(lián)合高校從零測試。最煎熬的是找文獻(xiàn)——“輸入‘超臨界二氧化碳’，出來的全是萃取技術(shù)，”黃彥平苦笑，“我們像大海撈針，在垃圾堆里找珍珠?！?/p>

國際同行紛紛質(zhì)疑：“超臨界二氧化碳換熱能力只有水的三分之一，密度卻是蒸汽的幾十上百倍，換熱器和渦輪機怎么造？全球幾十年沒人做成，你這是自討苦吃?！?/p>

但科研直覺告訴他：這條路值得走。

2010年，經(jīng)費緊張的團(tuán)隊自掏腰包十幾萬元，搭建了最簡單的自然循環(huán)實驗裝置。當(dāng)超臨界二氧化碳在回路中平穩(wěn)流動、速度遠(yuǎn)超超臨界水時，黃彥平難掩激動：“它不像水會劇烈波動，只要持續(xù)加熱，循環(huán)速度就穩(wěn)定上升。那一刻我知道，這個技術(shù)肯定能成！”

這個在空白中發(fā)現(xiàn)的“第四態(tài)”密碼，成了團(tuán)隊堅持下去的第一束光。

829天，焊出“不可能”

真正的挑戰(zhàn)才剛剛開始。

超臨界二氧化碳的特殊性質(zhì)，意味著所有傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備都要推倒重來。核心裝備研發(fā)成為最大“攔路虎”，集中在兩大難題：換熱能力弱，高效換熱器體積會異常龐大；密度極高，渦輪機設(shè)計要求遠(yuǎn)超傳統(tǒng)。

他們首先要攻克微型通道真空擴(kuò)散焊換熱器。

需在不銹鋼板上蝕刻數(shù)百條直徑僅1毫米的微流道，再將數(shù)百張板片精準(zhǔn)疊焊——每張板片上的流道必須100%對齊，誤差不能超過一根頭發(fā)絲的十分之一。

國內(nèi)沒有廠家能達(dá)到精度要求。團(tuán)隊骨干直接住進(jìn)蝕刻廠，與工人同吃同住六周?！懊刻旆治鰳影濉⒄{(diào)整參數(shù)，終于做出合格樣品?！秉S彥平回憶。

更難的還在后面：真空擴(kuò)散焊接技術(shù)當(dāng)時國內(nèi)完全空白。國際上唯一具備能力的廠家報價高昂，做完一次樣品后明確告知：“這項技術(shù)禁止向中國出口?！?/p>

冰冷的禁運通知，讓團(tuán)隊徹底清醒：核心技術(shù)買不來、討不來。

接下來的829天，實驗室燈光幾乎從未熄滅。他們反復(fù)調(diào)整焊接的溫度、壓力和時間參數(shù)。每次試驗耗費數(shù)萬元，報廢的試驗件堆了半間倉庫，重達(dá)數(shù)噸。

“最煎熬的是連續(xù)失敗，”黃彥平聲音低沉，“有一次連續(xù)12次失敗，年輕工程師坐在地上哭。我撿起焊廢的板片說：‘再試最后一次?！?/p>

轉(zhuǎn)折點來自一次“非正式”合作。黃彥平找到西北工業(yè)大學(xué)的焊接專家，僅憑互相信任，在十幾萬元經(jīng)費支持下，對方團(tuán)隊苦干三五年?！包S總，你說怎么干我就怎么干。”這句話成了支撐。

終于，在數(shù)次方案優(yōu)化、多版參數(shù)迭代后，他們焊出了合格部件，還自主研制出真空擴(kuò)散焊機，將6000片薄板焊接成超緊湊換熱器——體積只有傳統(tǒng)的十分之一。

渦輪機研發(fā)同樣艱難。國外專家直言：“別做100千瓦以上機組，純屬浪費資源?！眻F(tuán)隊聯(lián)合東方電氣集團(tuán)，在毫無經(jīng)驗下摸索。

2018至2019年驗證階段最為煎熬——機組每次運行到20%-30%負(fù)荷就會突然停機。團(tuán)隊成員甚至開玩笑：“黃老師，您能不能別來實驗室？您一來我們就緊張，機器好像也跟著‘犯怵’?！?/p>

黃彥平那段時間頭發(fā)大把大把地白，“每天都擔(dān)心，前面投入的錢、熬的夜都白費了?！?/p>

轉(zhuǎn)機在某天凌晨降臨。正在北京出差的黃彥平接到電話，只有兩個字：“成了。”電話那頭傳來團(tuán)隊的哭聲。

他顫抖著掛掉電話，又立即回?fù)艽_認(rèn)。連夜趕回實驗室，屏幕上穩(wěn)定跳動的數(shù)據(jù)讓所有焦慮煙消云散。

后來得知，國際同行直到2024年才達(dá)到他們2019年的水平?！拔覀儧]有跳過任何一個驗證環(huán)節(jié)，”黃彥平說，“技術(shù)路線圖上所有試驗全做了，這才有了‘一旦啟動就能穩(wěn)定運行’的底氣?！?/p>

五年數(shù)據(jù)，筑就根基

技術(shù)突破離不開最枯燥的基礎(chǔ)工作。黃彥平稱之為“補缺”——在物性數(shù)據(jù)和工程標(biāo)準(zhǔn)中筑牢根基。

超臨界二氧化碳在臨界點附近的物性變化劇烈，國際文獻(xiàn)數(shù)據(jù)根本不夠用。一次按國外數(shù)據(jù)設(shè)計的換熱器，實際效率竟比預(yù)期低40%。

團(tuán)隊痛定思痛，決心建立自己的物性數(shù)據(jù)庫。

聯(lián)合西安交大、上海交大團(tuán)隊，搭建專用測試平臺。此后五年，他們重復(fù)著升溫、加壓、記錄的枯燥工作。為獲取一個精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，成員曾連續(xù)72小時值守，每10秒記錄一次讀數(shù)。最終報告堆起半人高。

“這套數(shù)據(jù)庫填補了國際空白，”黃彥平說，“它揭示了二氧化碳高效做功的關(guān)鍵——臨界點附近密度變化曲線異常陡峭，這正是傳統(tǒng)設(shè)計思路行不通的原因?！?/p>

控制系統(tǒng)的研發(fā)同樣從零開始。傳統(tǒng)系統(tǒng)無法適應(yīng)超臨界二氧化碳的極快響應(yīng)，團(tuán)隊自主研發(fā)了“數(shù)字伴生系統(tǒng)”，讓實體機組與虛擬仿真實時聯(lián)動。這個系統(tǒng)的價值還在延伸——未來可能發(fā)展為完整數(shù)字孿生系統(tǒng)。

意外收獲出現(xiàn)在機組運行后。其響應(yīng)速度遠(yuǎn)超預(yù)期，能精準(zhǔn)跟隨鋼鐵廠余熱波動。新能源專家聞訊而來：“這種特性正好滿足未來電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻需求！”團(tuán)隊這才發(fā)現(xiàn)，他們的技術(shù)不僅能利用廢熱，還能成為電網(wǎng)的“穩(wěn)定器”。

“第一只螃蟹”，驚險下肚

實驗室成功只是第一步。從實驗室到工廠，才是真正的“生死一躍”。

長期穩(wěn)定運行驗證需要巨額費用——機組一天僅水電費就達(dá)20萬元。連續(xù)運行2000小時，成本高昂，難以承受。質(zhì)疑聲此起彼伏：“實驗室能用，工業(yè)上能用嗎？”黃彥平常常語塞：“地球上從沒有過這種機器，我只能用實際運行證明。”

轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在2022年8月。濟(jì)鋼國際董事長高忠升主動登門。黃彥平直截了當(dāng)：“你真相信這是新技術(shù)嗎？你有錢嗎？你有廠址嗎？”高忠升毫不猶豫給出肯定答案。

后來黃彥平才知道，高忠升從山東輾轉(zhuǎn)北京再飛成都，盛夏酷暑中襯衫后背濕透半截?！斑@份誠意讓我堅定了決心。”

恰逢首鋼水鋼集團(tuán)設(shè)備更新，負(fù)責(zé)人也表示“不算短期風(fēng)險賬，只看長遠(yuǎn)發(fā)展賬”。三位決策者的擔(dān)當(dāng)，決定了“超碳一號”的命運。

2023年底工程開工。工業(yè)場景的復(fù)雜性遠(yuǎn)超預(yù)期：鋼鐵廠余熱波動大、粉塵多，更關(guān)鍵的是超臨界二氧化碳對清潔度的“潔癖”——它不僅是工質(zhì)，還是良好溶劑，對雜質(zhì)極其敏感。

施工人員按傳統(tǒng)習(xí)慣操作，幾次導(dǎo)致設(shè)備異常。團(tuán)隊不得不拆了重裝，反復(fù)強調(diào)：“差一點都不行?！蹦ズ现?，工人們逐漸理解了這項技術(shù)的特殊性，開始主動按最高標(biāo)準(zhǔn)施工。

最驚險的是并網(wǎng)前調(diào)試——渦輪機突然振動。團(tuán)隊連續(xù)48小時排查上百個部件，最終發(fā)現(xiàn)是管道接口的微小偏差。重新調(diào)整安裝工藝后，設(shè)備終于平穩(wěn)運行。

2025年12月20日，“超碳一號”正式商運。它顛覆了傳統(tǒng)發(fā)電模式，用半個籃球場的空間，創(chuàng)造了驚人效益：年增發(fā)電7000余萬度，為企業(yè)增收超3000萬元。占地面積僅傳統(tǒng)機組的一半。

有老工程師參觀時圍著設(shè)備轉(zhuǎn)圈：“黃總，設(shè)備還沒到齊吧？”黃彥平笑了：“都在這里了，這就是全套。”

專家測算，若全國鋼廠都采用該技術(shù)，年增發(fā)電量將相當(dāng)于三峽電站的八分之一。

從鋼鐵廠到火星

“超碳一號”的成功讓團(tuán)隊成為全球唯一實現(xiàn)該技術(shù)長期穩(wěn)定運行的隊伍。十六年核心成員幾乎未變，國家持續(xù)的基礎(chǔ)科研投入讓技術(shù)體系完整構(gòu)建。

談及技術(shù)前景，黃彥平眼睛發(fā)亮：“它的綠色屬性取決于熱源，但節(jié)能降碳價值是絕對的?！蹦壳皥F(tuán)隊已啟動“熔鹽儲能+超臨界二氧化碳發(fā)電”項目，未來可靈活適配多元熱源——水泥廠窯爐余熱、玻璃廠熔融廢熱，甚至沙漠太陽能。

更遠(yuǎn)的設(shè)想已在探索：火星大氣富含二氧化碳，團(tuán)隊已開始概念設(shè)計，未來或許能帶著核熱源和發(fā)電系統(tǒng)登陸火星，就地取材發(fā)電。相關(guān)論文已在國際期刊發(fā)表。

“雖然設(shè)備還有幾十噸重，需要等待大推力火箭，”黃彥平說，“但我相信這一天終會到來?！?/p>

團(tuán)隊每天收到多份合作咨詢，甚至有人想一次性訂購百套設(shè)備?！斑@讓我們既興奮又清醒，”黃彥平坦言，“產(chǎn)業(yè)鏈還不完善，年產(chǎn)能僅5到10臺，大規(guī)模商業(yè)化路還長，但方向是明確的?！?/p>

十六年堅守，黃彥平最深的感悟是：“科研工作者要敢于走出舒適區(qū)?？茖W(xué)家精神，是在空白中尋‘界’的執(zhí)著，是在封鎖中破‘阻’的勇氣，是在枯燥中補‘缺’的堅守，是在風(fēng)險中落地的擔(dān)當(dāng)?！?/p>

他這輩子就想做好一件事：讓曾經(jīng)被視為“溫室氣體”的二氧化碳，真正成為照亮未來的清潔動力。當(dāng)全球還在為減排目標(biāo)爭論時，中國科學(xué)家用硬核科技給出了方案。

“未來我們呼吸的每一口空氣，都可能參與點亮城市燈火?！秉S彥平說，“而我更希望，未來有更多科研人愿坐冷板凳，更多企業(yè)愿冒風(fēng)險，更多公眾能建立科技自信——不再一看到新技術(shù)就問‘國外有沒有’。相信中國科研人能在更多前沿領(lǐng)域，走出自己的創(chuàng)新之路?！?/p>

采訪手記

黃彥平一口武漢腔的普通話，語速飛快。眼光明亮。他全無大科學(xué)家的架子，談及勇闖超臨界二氧化碳發(fā)電這一科研無人區(qū)，他不喊口號，坦率得很。一句“太難了”，道盡其中艱辛。這份務(wù)實，格外可愛。面對科學(xué)質(zhì)疑，他會理性討論，但有人說“這項技術(shù)外國人都沒做成，憑什么你們就行”，他的脾氣就上來了，他說，這種錯誤老觀念，必須改改了。

他反感蠅營狗茍的人，更反感不鉆科研、只圖私利的態(tài)度。他堅信，做學(xué)問要純粹，要簡單。想太多，就不敢沖了。當(dāng)初投身這片科研無人區(qū)，靠的就是一個念頭，一份多年科研沉淀的直覺。同時，他心中始終繃著一根弦，緊迫感極強。他反復(fù)叮囑團(tuán)隊，不能因眼前的成功松懈。必須保持領(lǐng)先，要比國際同行領(lǐng)先五年，甚至更久。

他深諳，科技競爭逆水行舟，不進(jìn)則退。唯有居安思危、未雨綢繆，才能守住來之不易的陣地。

中國科協(xié)之聲訪談編輯 劉炎迅