英托卡馬克能源公司宣布三項(xiàng)重要進(jìn)展

【本刊2022 年11 月綜合報(bào)道】2022 年10月，英國托卡馬克能源公司（Tokamak Energy）宣布在聚變能研究方面取得三項(xiàng)重要進(jìn)展：一是與英國原子能管理局（UKAEA）簽署為期五年的合作協(xié)議，二是原型聚變堆ST40 在近期試驗(yàn)中聚變?nèi)朔e創(chuàng)新高，三是宣布下一代原型聚變堆ST80-HTS建設(shè)計(jì)劃。

托卡馬克能源主要開展球形托卡馬克研究。在同一磁場強(qiáng)度下，球形托卡馬克裝置產(chǎn)生的等離子體壓強(qiáng)比傳統(tǒng)托卡馬克裝置高得多，即球形托卡馬克的效率更高。

與英國機(jī)構(gòu)簽署合作協(xié)議

10 月10 日，托卡馬克能源與原子能管理局簽署框架協(xié)議，未來將在推進(jìn)球形托卡馬克技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用方面開展更密切的合作。

根據(jù)這份為期五年的協(xié)議，雙方將采用聯(lián)合技術(shù)研發(fā)、設(shè)施和設(shè)備共享以及人員交流等方式開展合作，重點(diǎn)領(lǐng)域包括材料研發(fā)和測試、電力生產(chǎn)、燃料循環(huán)、診斷與遠(yuǎn)程處理等。

這兩家機(jī)構(gòu)均擁有處于運(yùn)行狀態(tài)的球形托卡馬克研究裝置。托卡馬克能源的ST40最近實(shí)現(xiàn)了1億℃的等離子體溫度，這是實(shí)現(xiàn)聚變能商業(yè)應(yīng)用需要達(dá)到的閾值，也是世界球形托卡馬克裝置首次達(dá)到這一溫度。

原子能管理局的“升級后的兆安球形托卡馬克裝置”（MAST-U）正在開展相關(guān)研究，以支持“用于能源生產(chǎn)的球形托卡馬克”（STEP）原型聚變電廠建設(shè)。STEP原型聚變電廠建設(shè)計(jì)劃是英國當(dāng)前最重要的聚變能國家發(fā)展計(jì)劃，由原子能管理局負(fù)責(zé)，目標(biāo)是在2040年前研發(fā)、設(shè)計(jì)并在西伯頓（West Burton）建成一座原型聚變電廠且實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

原子能管理局2022 年10 月宣布，已耗資1000萬英鎊（1140萬美元）完成卡勒姆（Culham）科學(xué)中心材料研究設(shè)施（MRF）擴(kuò)建工程，使該設(shè)施的規(guī)模擴(kuò)大了一倍。該設(shè)施主要用于開展聚變材料研究。

聚變?nèi)朔e創(chuàng)新高

10月21日，托卡馬克能源宣布ST40在最近的試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)6×1018keV·s·m-3的聚變?nèi)朔e。這是私營企業(yè)迄今達(dá)到的聚變?nèi)朔e最高值。

實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，需要同時(shí)滿足三個(gè)條件：足夠高的溫度、一定的密度和一定的能量約束時(shí)間。三者的乘積稱為聚變?nèi)朔e。根據(jù)勞遜判據(jù)，只有聚變?nèi)朔e大于一定值（5×1021keV·s·m-3），才能產(chǎn)生有效的聚變功率輸出。

公布ST80-HTS建設(shè)計(jì)劃

10 月26 日，托卡馬克能源宣布新型原型聚變堆ST80-HTS 建設(shè)計(jì)劃。這將是全球第一座大規(guī)模使用高溫超導(dǎo)磁體的強(qiáng)場球形托卡馬克裝置，將示范實(shí)現(xiàn)聚變能商業(yè)應(yīng)用所需的多種先進(jìn)技術(shù)。在2026 年建成后，該裝置將展示球形托卡馬克的關(guān)鍵運(yùn)行優(yōu)勢，并為聚變示范電廠ST-E1 的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵信息。ST-E1擬于本世紀(jì)三十年代初并網(wǎng)發(fā)電，凈裝機(jī)容量將達(dá)20萬千瓦。

ST80-HTS將把聚變?nèi)朔e提升至接近實(shí)現(xiàn)聚變能商業(yè)應(yīng)用所需的水平，并實(shí)現(xiàn)長達(dá)15 分鐘的等離子體長脈沖控制。現(xiàn)有研究裝置已證明能夠在1 秒或更短時(shí)間里實(shí)現(xiàn)高的聚變?nèi)朔e數(shù)值，但隨著脈沖持續(xù)時(shí)間的延長，這一數(shù)值會(huì)很快下降。ST80-HTS的目標(biāo)是大幅延長脈沖持續(xù)時(shí)間，使其達(dá)到實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的高功率輸出所需的水平。

托卡馬克能源是一家私營企業(yè)，成立于2009 年，起源于卡勒姆實(shí)驗(yàn)室。該公司已獲得美國能源部的多筆資助，并與美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）和普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）建立合作伙伴關(guān)系。該公司還在英國“先進(jìn)模塊堆計(jì)劃”下獲得1000萬英鎊的資助。