英托卡马克能源公司宣布三项重要进展

【本刊2022 年11 月综合报道】2022 年10月，英国托卡马克能源公司（Tokamak Energy）宣布在聚变能研究方面取得三项重要进展：一是与英国原子能管理局（UKAEA）签署为期五年的合作协议，二是原型聚变堆ST40 在近期试验中聚变三乘积创新高，三是宣布下一代原型聚变堆ST80-HTS建设计划。

托卡马克能源主要开展球形托卡马克研究。在同一磁场强度下，球形托卡马克装置产生的等离子体压强比传统托卡马克装置高得多，即球形托卡马克的效率更高。

与英国机构签署合作协议

10 月10 日，托卡马克能源与原子能管理局签署框架协议，未来将在推进球形托卡马克技术商业化应用方面开展更密切的合作。

根据这份为期五年的协议，双方将采用联合技术研发、设施和设备共享以及人员交流等方式开展合作，重点领域包括材料研发和测试、电力生产、燃料循环、诊断与远程处理等。

这两家机构均拥有处于运行状态的球形托卡马克研究装置。托卡马克能源的ST40最近实现了1亿℃的等离子体温度，这是实现聚变能商业应用需要达到的阈值，也是世界球形托卡马克装置首次达到这一温度。

原子能管理局的“升级后的兆安球形托卡马克装置”（MAST-U）正在开展相关研究，以支持“用于能源生产的球形托卡马克”（STEP）原型聚变电厂建设。STEP原型聚变电厂建设计划是英国当前最重要的聚变能国家发展计划，由原子能管理局负责，目标是在2040年前研发、设计并在西伯顿（West Burton）建成一座原型聚变电厂且实现并网发电。

原子能管理局2022 年10 月宣布，已耗资1000万英镑（1140万美元）完成卡勒姆（Culham）科学中心材料研究设施（MRF）扩建工程，使该设施的规模扩大了一倍。该设施主要用于开展聚变材料研究。

聚变三乘积创新高

10月21日，托卡马克能源宣布ST40在最近的试验中实现了高达6×1018keV·s·m-3的聚变三乘积。这是私营企业迄今达到的聚变三乘积最高值。

实现核聚变反应，需要同时满足三个条件：足够高的温度、一定的密度和一定的能量约束时间。三者的乘积称为聚变三乘积。根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值（5×1021keV·s·m-3），才能产生有效的聚变功率输出。

公布ST80-HTS建设计划

10 月26 日，托卡马克能源宣布新型原型聚变堆ST80-HTS 建设计划。这将是全球第一座大规模使用高温超导磁体的强场球形托卡马克装置，将示范实现聚变能商业应用所需的多种先进技术。在2026 年建成后，该装置将展示球形托卡马克的关键运行优势，并为聚变示范电厂ST-E1 的设计提供关键信息。ST-E1拟于本世纪三十年代初并网发电，净装机容量将达20万千瓦。

ST80-HTS将把聚变三乘积提升至接近实现聚变能商业应用所需的水平，并实现长达15 分钟的等离子体长脉冲控制。现有研究装置已证明能够在1 秒或更短时间里实现高的聚变三乘积数值，但随着脉冲持续时间的延长，这一数值会很快下降。ST80-HTS的目标是大幅延长脉冲持续时间，使其达到实现可持续的高功率输出所需的水平。

托卡马克能源是一家私营企业，成立于2009 年，起源于卡勒姆实验室。该公司已获得美国能源部的多笔资助，并与美国橡树岭国家实验室（ORNL）和普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）建立合作伙伴关系。该公司还在英国“先进模块堆计划”下获得1000万英镑的资助。