對話黃彥平：“把二氧化碳變成發電的動力”

編者按

你相信嗎？我們日常熟知的二氧化碳，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電機組“超碳一號”在貴州六盤水成功投運。這項革命性技術并非直接用二氧化碳發電，而是將其作為能量傳遞和熱功轉換的高效循環介質，讓這一溫室氣體變身發電“好幫手”，既突破了傳統“燒開水”的發電模式，更能高效回收工業余熱實現節能降碳，也標志著中國在該領域實現全球領跑。

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

專家簡介

黃彥平，研究員，中核集團首席科學家，超碳一號總設計師，長期從事先進核動力和新型能量轉換技術科學理論、技術創新與工程應用研究，帶領團隊通過十六年技術攻關和自主研發，攻克了超臨界二氧化碳發電技術從理論到工藝的全鏈條貫通，將超臨界二氧化碳發電技術從實驗室推向了工程應用。

黃彥平先后獲得國家科技進步獎一等獎、國家技術發明獎二等獎、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院士，上面只有一句話：“美國正在研究超臨界二氧化碳發電，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的超臨界水堆領域深耕多年。用二氧化碳發電？他敏銳地意識到其中的革命性潛力。

物質除了固態、液態、氣態三態，還有第四態——超臨界態。當二氧化碳被加壓到73個大氣壓以上、加熱到31攝氏度以上，它會進入一種奇特狀態，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衣，”黃彥平說。

不論是傳統的火力發電還是先進的核電技術，以及各類余熱蒸汽發電，原理都類似于“燒開水”，就是用熱量將水變為水蒸氣，推動汽輪機轉動來發電。

但“超碳”作為介質，進入透平機，瞬間膨脹推動葉片高速旋轉，帶動發電機發電。一旦實現，相比之前的燒結余熱蒸汽發電技術，以“超碳”為介質的新形式發電效率提升85%以上，凈發電量提升50%以上。

但現實很快潑來冷水。全球相關文獻少得可憐——最早的是1948年瑞典學者的概念研究，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、石油壓裂等應用。

黃彥平帶著唯一一名研究生，組成了最初的“兩人團隊”。

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

國際同行紛紛質疑：“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，經費緊張的團隊自掏腰包十幾萬元，搭建了最簡單的自然循環實驗裝置。當超臨界二氧化碳在回路中平穩流動、速度遠超超臨界水時，黃彥平難掩激動：“它不像水會劇烈波動，只要持續加熱，循環速度就穩定上升。那一刻我知道，這個技術肯定能成！”

這個在空白中發現的“第四態”密碼，成了團隊堅持下去的第一束光。

829天，焊出“不可能”

真正的挑戰才剛剛開始。

超臨界二氧化碳的特殊性質，意味著所有傳統發電設備都要推倒重來。核心裝備研發成為最大“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，渦輪機設計要求遠超傳統。

他們首先要攻克微型通道真空擴散焊換熱器。

需在不銹鋼板上蝕刻數百條直徑僅1毫米的微流道，再將數百張板片精準疊焊——每張板片上的流道必須100%對齊，誤差不能超過一根頭發絲的十分之一。

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

更難的還在后面：真空擴散焊接技術當時國內完全空白。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：“這項技術禁止向中國出口。”

冰冷的禁運通知，讓團隊徹底清醒：核心技術買不來、討不來。

接下來的829天，實驗室燈光幾乎從未熄滅。他們反復調整焊接的溫度、壓力和時間參數。每次試驗耗費數萬元，報廢的試驗件堆了半間倉庫，重達數噸。

“最煎熬的是連續失敗，”黃彥平聲音低沉，“有一次連續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。’”

轉折點來自一次“非正式”合作。黃彥平找到西北工業大學的焊接專家，僅憑互相信任，在十幾萬元經費支持下，對方團隊苦干三五年?！包S總，你說怎么干我就怎么干?！边@句話成了支撐。

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

渦輪機研發同樣艱難。國外專家直言：“別做100千瓦以上機組，純屬浪費資源。”團隊聯合東方電氣集團，在毫無經驗下摸索。

2018至2019年驗證階段最為煎熬——機組每次運行到20%-30%負荷就會突然停機。團隊成員甚至開玩笑：“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大把大把地白，“每天都擔心，前面投入的錢、熬的夜都白費了。”

轉機在某天凌晨降臨。正在北京出差的黃彥平接到電話，只有兩個字：“成了?！彪娫捘穷^傳來團隊的哭聲。

他顫抖著掛掉電話，又立即回撥確認。連夜趕回實驗室，屏幕上穩定跳動的數據讓所有焦慮煙消云散。

后來得知，國際同行直到2024年才達到他們2019年的水平?！拔覀儧]有跳過任何一個驗證環節，”黃彥平說，“技術路線圖上所有試驗全做了，這才有了‘一旦啟動就能穩定運行’的底氣。”

五年數據，筑就根基

技術突破離不開最枯燥的基礎工作。黃彥平稱之為“補缺”——在物性數據和工程標準中筑牢根基。

超臨界二氧化碳在臨界點附近的物性變化劇烈，國際文獻數據根本不夠用。一次按國外數據設計的換熱器，實際效率竟比預期低40%。

團隊痛定思痛，決心建立自己的物性數據庫。

聯合西安交大、上海交大團隊，搭建專用測試平臺。此后五年，他們重復著升溫、加壓、記錄的枯燥工作。為獲取一個精準數據，成員曾連續72小時值守，每10秒記錄一次讀數。最終報告堆起半人高。

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

控制系統的研發同樣從零開始。傳統系統無法適應超臨界二氧化碳的極快響應，團隊自主研發了“數字伴生系統”，讓實體機組與虛擬仿真實時聯動。這個系統的價值還在延伸——未來可能發展為完整數字孿生系統。

意外收獲出現在機組運行后。其響應速度遠超預期，能精準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調峰調頻需求！”團隊這才發現，他們的技術不僅能利用廢熱，還能成為電網的“穩定器”。

“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”。

長期穩定運行驗證需要巨額費用——機組一天僅水電費就達20萬元。連續運行2000小時，成本高昂，難以承受。質疑聲此起彼伏：“實驗室能用，工業上能用嗎？”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。”

轉機出現在2022年8月。濟鋼國際董事長高忠升主動登門。黃彥平直截了當：“你真相信這是新技術嗎？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?！?/p>

恰逢首鋼水鋼集團設備更新，負責人也表示“不算短期風險賬，只看長遠發展賬”。三位決策者的擔當，決定了“超碳一號”的命運。

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

施工人員按傳統習慣操作，幾次導致設備異常。團隊不得不拆了重裝，反復強調：“差一點都不行?！蹦ズ现校と藗冎饾u理解了這項技術的特殊性，開始主動按最高標準施工。

最驚險的是并網前調試——渦輪機突然振動。團隊連續48小時排查上百個部件，最終發現是管道接口的微小偏差。重新調整安裝工藝后，設備終于平穩運行。

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

有老工程師參觀時圍著設備轉圈：“黃總，設備還沒到齊吧？”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，年增發電量將相當于三峽電站的八分之一。

從鋼鐵廠到火星

“超碳一號”的成功讓團隊成為全球唯一實現該技術長期穩定運行的隊伍。十六年核心成員幾乎未變，國家持續的基礎科研投入讓技術體系完整構建。

談及技術前景，黃彥平眼睛發亮：“它的綠色屬性取決于熱源，但節能降碳價值是絕對的?！蹦壳皥F隊已啟動“熔鹽儲能+超臨界二氧化碳發電”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。

更遠的設想已在探索：火星大氣富含二氧化碳，團隊已開始概念設計，未來或許能帶著核熱源和發電系統登陸火星，就地取材發電。相關論文已在國際期刊發表。

“雖然設備還有幾十噸重，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>

團隊每天收到多份合作咨詢，甚至有人想一次性訂購百套設備?！斑@讓我們既興奮又清醒，”黃彥平坦言，“產業鏈還不完善，年產能僅5到10臺，大規模商業化路還長，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?？茖W家精神，是在空白中尋‘界’的執著，是在封鎖中破‘阻’的勇氣，是在枯燥中補‘缺’的堅守，是在風險中落地的擔當。”

他這輩子就想做好一件事：讓曾經被視為“溫室氣體”的二氧化碳，真正成為照亮未來的清潔動力。當全球還在為減排目標爭論時，中國科學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，更多企業愿冒風險，更多公眾能建立科技自信——不再一看到新技術就問‘國外有沒有’。相信中國科研人能在更多前沿領域，走出自己的創新之路?！?/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。他全無大科學家的架子，談及勇闖超臨界二氧化碳發電這一科研無人區，他不喊口號，坦率得很。一句“太難了”，道盡其中艱辛。這份務實，格外可愛。面對科學質疑，他會理性討論，但有人說“這項技術外國人都沒做成，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、只圖私利的態度。他堅信，做學問要純粹，要簡單。想太多，就不敢沖了。當初投身這片科研無人區，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。他反復叮囑團隊，不能因眼前的成功松懈。必須保持領先，要比國際同行領先五年，甚至更久。

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

中國科協之聲訪談編輯 劉炎迅