突破“原子缝合术”：中国科学家“闯关超碳”

突破“原子缝合术”：中国科学家“闯关超碳”

（ 2026-06-01 ） 稿件来源：新华每日电讯 新华智见

本报记者 李力可

200年来，蒸汽发电的“烧开水”模式长期主导全球能源动力领域，但其效率、适配性与运维的瓶颈日益凸显。在科技自立自强、“双碳”目标与新质生产力发展的时代命题下，一场颠覆性的能源技术变革悄然落地。

来自中国核动力研究设计院的科研团队用17年坚守，攻克超临界二氧化碳发电技术，以原创核心技术开启全新赛道。践行“勇于攻坚克难、敢于超越前人，在科技创新中实现人生价值”的精神，这支平均年龄30余岁的科研队伍，用青春智慧书写科技自立自强的时代答卷。

捕捉二氧化碳的“超能力”

2025年12月20日，贵州六盘水首钢水钢集团内，随着控制中心大屏显示最后一组数据达标，全球首台商用超临界二氧化碳发电机组“超碳一号”成功并网商运，标志着中国科学家在超临界二氧化碳发电技术领域完成了“从0到1”的突破。

“超碳一号”的成功，并非一次偶然的技术尝试，而是中国科研团队立足能源技术迭代痛点持续深耕的战略性布局。

自2009年起，中核集团首席科学家、“超碳一号”总设计师黄彦平牵头布局超临界二氧化碳发电研究，青年科学家团队锚定传统蒸汽发电的固有瓶颈，精准挖掘出二氧化碳作为发电工质的独特“超能力”，持续攻坚17年，为能源技术革新找到了更优突破口。

200年来，尽管全人类的发电技术在持续进步，但不论是传统的火力发电还是先进的核电技术，以及各类余热蒸汽发电，原理都类似于“烧开水”，就是用热量将水变为水蒸气，推动汽轮机转动来发电。

而随着近年来新能源发展带来对灵活性、响应速度与系统集成度的更高要求，蒸汽轮机遭遇了水蒸气相变特性的热力学天花板。

在中小功率等级场景中，蒸汽发电设备体积庞大、运维流程复杂，且功率爬坡速率小于每分钟3%，响应速度迟缓，无法适配新能源快速调峰、工业余热波动的现代能源需求，难以契合新型电力系统的发展趋势。

相较于传统工质，超临界二氧化碳具备无可替代的天然优势。“选择二氧化碳不是因为它新奇，而是它的临界温度31℃恰好卡在自然环境的‘舒适区’。”中国核动力研究设计院研究员宫厚军介绍，不同于水等其他工质，二氧化碳无需高成本温控条件，通过常规加温加压即可实现状态转换，依托大气、自然水体即可冷却至超临界状态点，工况可实现性极强。

“在超临界状态下，二氧化碳兼具气体的高流动性与液体的高密度特性，尤其是超临界状态点附近的高比热特性使得二氧化碳压缩损耗低，完美适配热力循环高效运行需求。”宫厚军告诉记者。

依托这一独特属性，超临界二氧化碳发电技术实现了全方位突破。发电效率较传统机组大幅提升，设备所需场地缩减50%以上，功率爬坡速率可达每分钟10%，是传统蒸汽发电的3倍多，能够快速响应工业余热波动、新能源并网调峰等复杂场景。

同时，整套系统结构精简，无需复杂的水化学处理、补水体系，运维人员可缩减至原有三分之一，真正实现高效、集约、轻量化运行，尤其适配钢铁、水泥、光热发电等中高温工业余热利用场景，为中小功率能源装备升级、工业节能降碳提供了革命性解决方案。

专家初步测算，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483万吨以上，减少二氧化碳排放1285万吨以上，为我国培育绿色低碳新质生产力、推进“双碳”战略提供又一核心技术支撑。

为“原子级”难题找出中国方案

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亮眼的技术优势背后，是数十年无人踏破的科研盲区与层层封锁的技术壁垒。

早在20世纪60年代，超临界二氧化碳发电理念就由全球多国学者提出，我国科学家也早早关注到了这一理论的前景。

但超临界二氧化碳发电始终无法实现工程化落地，核心受制于两大技术的限制：大型真空扩散焊接技术与超临界工质适配涡轮机技术。

“只要知道原理，就没有解决不了的难题。”团队从零起步、自主攻坚，打造完全自主可控的中国技术方案。

真空扩散焊接技术被称为“原子缝合术”，是制造高端换热器的核心工艺，也是最难突破的第一道关卡。长期以来，美、英等国垄断真空扩散焊接技术核心工艺，对我国实施严格技术封锁，核心设备、工艺参数完全保密，团队海外考察仅能远观厂房。

该技术依托真空高温环境，让数百层布满微米级流道的合金板依靠原子自主扩散“生长融合”，无需焊条辅料，即可实现原子级无缝拼接。大型换热器拥有几十万个微流道，焊接过程中压力、温度的细微偏差，都会造成流道堵塞、板材变形、焊接不均，直接导致设备报废。

攻关初期，国内无设备、无工艺、无经验，团队从0.6米小型焊接装置起步，一步步迭代研发，历经上千次流道蚀刻试验、数百轮工艺参数调试。单次焊接周期长达一周，反复遭遇变形开裂、介质泄漏、融合不均等问题，一次次归零重来。

“但我们最着急的不是反复失败，而是不能让国家的科研经费‘打水漂’。”团队扎根生产一线、驻厂通宵调试，联合国内产业链企业补齐工艺短板，逐步攻克蚀刻精度控制、高温压力平衡、原子扩散一致性等核心难题，自主迭代出0.6米至2.4米全系列真空扩散焊炉，彻底打破海外技术垄断。

涡轮机适配技术成为掣肘工程化落地的另一块硬骨头。

传统汽轮机适配气体工质，叶轮级数多，而小功率超临界二氧化碳涡轮机往往需做到仅通过两级叶轮，就能实现23兆帕至8兆帕的超大压差递减，极易出现转子窜动、部件碰磨等问题。同时，系统对二氧化碳密封性要求极严苛，禁止引入外部密封介质，必须实现极低泄漏率与工质高效回收。

针对这一难题，团队创新优化涡轮机结构设计，独创轴向推力平衡方案，通过精准动态施压抵消转子轴向推力，解决高压工况下转子窜动磨损难题；同时研发适配超临界工质的密封技术，杜绝外源介质污染，实现工质低泄漏、高回收，保障机组高效纯净运行。

“核心技术的同步突破，补齐了超临界二氧化碳发电的全链条技术短板，让这项之前只存在于构想的前沿技术，真正实现规模化工程应用。”宫厚军称。

提前布局新一轮创新攻关

“科研人要有远大目标，要把中国技术带到世界前列，这是信念，更是责任。”宫厚军说，“超碳一号”科研团队汇聚大批“90后”“95后”青年博士，平均年龄30余岁，老中青传帮带的梯队模式，让这支年轻队伍既有深耕科研的定力，更有敢闯敢创的活力。

有人常年驻厂调试错过阖家团圆，有人通宵攻坚反复打磨数据模型……一群年轻人，以坐“冷板凳”的坚守，攻克能源领域关键核心技术，诠释着新时代科学家的爱国、求实、创新、奉献精神。

“自从到核动力院攻读研究生，第一次接触超临界二氧化碳发电技术以来，团队的师兄们手把手带我入门，从实验台搭建，到数据采集分析，每个环节都让我感受到科研传承的精神。”团队中的“95后”博士生郑若涵说。

立足当下的技术突破，“超碳一号”团队如今又瞄准了能源科技智能化、数字化赛道，提前布局新一轮创新攻关，全力探索AI智能体与超碳发电技术的深度融合。

“针对超临界发电全系统仿真，我们正着力研发AI智能体架构，依托大模型和专用工业软件实现自然语言交互控制全流程智能仿真，同时实现机组运行状态实时感知、故障智能预判、运行参数自主优化。”宫厚军介绍。

“对接‘十五五’规划攻克能源领域‘卡脖子’技术、提升产业链供应链自主可控水平的核心要求，我们还将持续攻关超临界二氧化碳发电系统在更高功率级、更广温域、更强适应性方向的关键技术，加速推动技术规模化、产业化普及。”宫厚军说。（李力可）