“二氧化碳怎么能發電，你可真是個‘大忽悠’！”類似的質疑，中核集團首席科學家、“超碳一號”總設計師黃彥平聽過無數次。
可就在前不久，全球首臺商用超臨界二氧化碳發電機組——“超碳一號”在
貴州六盤水首鋼水鋼集團成功商運，讓二氧化碳“發電”夢想成真。
與傳統的蒸汽余熱發電機組相比，“超碳一號”機組設備占地面積縮減一半，發電效率提升85%以上，年發電量增長50%以上。這些成就的背后是研發團隊歷時17年矢志攻關，先后破解設計、制造、集成應用等方面一系列技術
難題，通過自主創新改寫人類“燒開水”發電的歷史。
“微雕”換熱道
2009年的一天，黃彥平接到中國工程院院士孫玉發托人轉來的一張小紙條：美國正在研究超臨界二氧化碳發電技術，很多人覺得不可能，你是否愿意試試？
短短幾行字，吊起了黃彥平的胃口。
超臨界是物質的一種特殊狀態。當工作壓力超過73個大氣壓，工作溫度超過31℃時，二氧化碳就會進入超臨界態，化身為“超碳”。
超臨界二氧化碳發電技術就是用超碳作為能量傳遞和熱功轉換工質，替代傳統蒸汽動力發電機組中的水蒸氣，實現從熱能到電能的轉換。
“相比于水蒸氣，超碳密度高、黏度低，且不會發生氣液相變，既能提高發電效率，又能縮小設備體積。”黃彥平告訴科技日報記者。但當時，這項技術尚處于理論階段，國內還無人問津。
沒有經驗、沒有團隊，黃彥平就帶著一位博士生“摸黑探索”。4年后，他心中有了答案：“這項技術一定可行！我必須做這件事，哪怕自籌經費。”
研發團隊組建后，項目還沒開始，就有人先給他潑冷水：“‘兩機三器’做不出來，用二氧化碳發電就是癡人說夢！”
“‘兩機’指壓氣機和透平機，‘三器’則指連接‘兩機’的熱源換熱器、回熱器和冷卻器。”黃彥平介紹，超碳在壓氣機和熱源換熱器中進一步提升壓力與溫度后，高溫高壓的超碳進入透平機，瞬間膨脹推動葉片高速旋轉，帶動發電機發電。做功后的超碳經回熱器和冷卻器回收能量并冷卻，返回壓氣機，開始新一輪循環。
自1948年超碳發電概念提出，還沒人能攻克“兩機三器”研制技術。由于物理性質特殊，實現超碳發電必須要有通道更細密、換熱效率更高的微通道換熱器。黃彥平決定先“牽住”換熱器這個“牛鼻子”。
“項目設計進度非常緊張，我們要在一個月內研制出微通道的板片。”研發團隊成員劉睿龍說，然而，用傳統的光化學蝕刻手段在不銹鋼薄板上精準地加工出數百個直徑為1毫米的凹槽，太難了。“廠家每次提供的樣品精度都不達標，情急之下，我和師弟費俊杰直接去了蝕刻廠。”
在蝕刻廠里，兩個年輕小伙和技術工人常常討論到深夜，幾個人邊啃面包，邊研究樣板、分析測量精度，同時聯系其他同事優化流道方案。幾周高強度工作下來，費俊杰身體扛不住了，進了醫院輸液退燒。“我想讓他多休息幾天，可他剛好一點就馬上回廠繼續干。”劉睿龍回憶。
經過幾周的方案更新與工藝迭代，當看到化學試劑均勻而精準地在板片上“雕刻”出數百個微流道時，廠內一位快60歲的老師傅不由得抹了抹眼淚。
“微通道板片研發傾注了太多人的心血！”劉睿龍感慨，“我們攻克了換熱器研制道路上首個‘攔路虎’。”
“拼接”百層板
微通道加工只是第一步。板片上下疊拼，凹槽相對，才能形成超碳流動通道。要想把幾百張板片摞起來，將每層的微小流道都嚴絲合縫焊在一起，就連最老練的焊工都難以完成。
常規技術實現不了，黃彥平翻遍資料，把目光投向了真空擴散焊接技術。“把板材像書頁一樣一頁頁疊好，施以真空高溫高壓，金屬原子就會發生擴散，‘手牽手’緊緊結合在一起。”他解釋說。
雖然有了解決方案，但是國內的真空擴散焊接技術儲備卻是“一窮二白”。“我們不會設計焊機，國內也加工不了，只能求助國外。”研發團隊成員唐佳告訴記者。
2017年，黃彥平帶著團隊，興沖沖地前往彼時唯一具備制造能力的國外廠家調研。沒想到，一去就吃了個“閉門羹”。
“我們前后派了四撥人去，結果連實驗室的門都進不去，只能看看機器外殼。”黃彥平無奈地說，“最后一次，好不容易到了門口，他們卻告訴我，全世界只有3個人可以進，將我‘轟’了回來。”
不久后，真空擴散焊接技術更是被列入了商業管制清單，嚴格限制出口。面對技術的嚴防死守，黃彥平賭上一口氣：“既然不賣，那我們就自己干！”
在實驗室燈光晝夜不熄的829天里，團隊經歷了27次技術方案優化調整，記錄本上的焊接參數累計迭代了218版，報廢的試驗樣件堆滿了半間倉庫。
直到2021年一個隆冬的凌晨，當第49次工藝試驗的監測屏幕突然跳出穩定的綠色曲線時，劉睿龍用顫抖的雙手扶正眼鏡，反復核對閃爍數據，“焊接成功了！”一瞬間，團隊壓抑了兩年的歡呼聲響徹整個廠房。
那一天，黃彥平輕撫微通道擴散焊換熱器表面，聲音微微顫抖：“這里流過的不只是二氧化碳，更是中國科研人的志氣。”
如今，“超碳一號”不僅擁有全球單芯體長度最大的微通道擴散焊換熱器，而且相比于傳統管殼式換熱器，換熱面積提升33%、熱負荷提升27%，體積更是縮小至1/10。其配套的真空擴散焊接裝備關鍵參數也已全面超越國際同類產品。
“鎖住”臨界體
經受住“三器”考驗后，團隊一鼓作氣，繼續攻堅“兩機”難題。
壓縮機和透平機軸端留有密封間隙。如何不讓超碳從這些間隙“溜走”，降低機組能量損失？大家首先想到的是梳齒密封方案，這也是蒸汽發電防泄漏的常用方法。“但我們很快就否定了該方案。”團隊成員陳堯興解釋，“超碳壓縮機和透平機的結構尺寸小，且需在高溫、高壓、高轉速條件下運行，梳齒密封很難達到目的。”
當時，國外已有一些成功密封案例。黃彥平出國咨詢，外國專家只告訴他一句話，不要做100千瓦以上的機組。聽說黃彥平要做兆瓦級機組，那些專家想都沒想就笑著搖頭：“怎么可能？”
黃彥平偏不信邪：“我這個人比較倔，別人越說不行，就越要想方設法找到解決方案。”
使用什么材料、采用何種結構……團隊抽絲剝繭，一步步分析。先后對比試驗了刷絲密封、孔型密封、蜂窩密封等方式后，他們最終敲定了號稱“零泄漏”的干氣密封技術。
“干氣密封技術雖然相對成熟，但由于‘超碳一號’機組高溫高壓的苛刻條件，我們并不能將技術直接拿來用。”陳堯興說。
又一次從零開始。從靜態到動態、從低溫到高溫、從低壓到高壓……實驗室里，團隊成員緊盯著控制屏幕，時刻關注實驗狀態。
每升高100℃就是一道坎。每一次升溫，陳堯興心里都要默念一遍：“一定要穩住，千萬別漏。”
超碳接觸空氣的瞬間非常美，會噴出漂亮的雪花。“但這是我們最不想看到的事。”陳堯興笑著攤了攤手，“那樣就完了，說明超碳泄漏了。”
即將達到500℃的那一刻，實驗室里的空氣仿佛凝滯，陳堯興緊張得心怦怦直跳。
“沒有溢出，穩了！”宣布實驗結果那一刻，壓在團隊成員心頭的重石總算落了地。“我們實現了兆瓦級超碳渦輪的干氣密封，這在全球都是第一次。”黃彥平自豪地告訴記者。
從2009年的一張小紙條，到2019年實驗室驗證成功；從2023年“超碳一號”項目正式開工，到2025年底成功商運——黃彥平帶領團隊十幾年如一日，終于將“冷板凳”坐“熱”，在超碳發電技術領域實現了世界領先。
