球形STEP反應堆可能依賴超導帶和連接式磁鐵實現(xiàn)。

近日，英國研究人員向全世界展示了他們的原型反應堆設計方案，該反應堆旨在證明核聚變能源的可行性，并計劃在21世紀40年代初實現(xiàn)并網發(fā)電。為了降低成本，“球形托卡馬克能源生產裝置”（STEP）可能會依賴由創(chuàng)新超導帶制成的電磁鐵，并且，其反應堆容器和磁鐵可能采用連接式設計，以便更換磨損的組件。這些細節(jié)收錄在《皇家學會哲學匯刊A刊》特刊的15篇論文中。

美國麻省理工學院的丹尼斯 · 懷特（Dennis Whyte）表示，STEP是“核聚變競賽中一個非常重要的項目”。美國普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的主任斯蒂芬 · 考利（Steven Cowley）也贊成這一觀點，并稱其“可能是最先進的項目之一”。

迄今為止建成的所有核聚變反應堆都是研究設備，旨在理解如何在數億度高溫下控制和約束翻騰的電離氣體或等離子體，以實現(xiàn)氫核的聚變。正在法國建設的國際熱核聚變實驗堆（ITER）是一個龐大的國際項目，其目標是證明核聚變反應可以產生能源盈余。近年來，開發(fā)者們正計劃邁出下一步：建造一座試驗發(fā)電站。風險資本家和富豪們正在為數十個這樣的項目提供資金支持。

相較之下，STEP則是由英國政府資助，并由位于卡拉姆的一座國家核聚變實驗室的科學家領導，該實驗室隸屬于英國原子能管理局（UKAEA）。英國政府為該項目提供了3億英鎊（約合28億人民幣）的資金支持，于2019年啟動了項目的設計階段，并于2022年選定了建設地點：位于諾丁漢郡西伯頓的一座退役燃煤發(fā)電站。項目負責人保羅 · 梅思文（Paul Methven）表示，該項目目前正在與政府商談未來四年的資金支持，以最終確定設計方案。梅思文同時也是負責建造STEP的英國原子能管理局下屬英國工業(yè)核聚變對策公司的首席執(zhí)行官。盡管STEP項目是由上一屆的保守黨政府發(fā)起，但梅思文表示，該項目與新當選的工黨政府所強調的經濟增長及實現(xiàn)碳中和任務極為契合?！暗侥壳盀橹?，一切順利。”他說。

STEP的設計是最成功的反應堆類型（托卡馬克）的一種變體。托卡馬克是一種被電磁鐵包圍的環(huán)形反應堆容器，它負責容納等離子體，其他裝置則對其進行加熱。但托卡馬克的發(fā)展趨勢是越做越大。ITER的托卡馬克裝置直徑超過19米，整個項目的成本可能超過250億歐元（約合1972億人民幣）。歐洲計劃的下一臺核聚變機器名為聚變示范電站（DEMO），其中的托卡馬克將會比ITER的更大。懷特認為，這些昂貴的龐然大物會讓能源公司望而卻步。

為了降低成本，STEP的托卡馬克將采用球形設計——比起甜甜圈，它會更像一個去核的蘋果。該設計由英國原子能管理局卡拉姆實驗室首創(chuàng)，已被證明可以穩(wěn)定等離子體，并使設備整體變得更小、更便宜。然而，在該設計中，要在狹窄的中央核心內容納必需的磁體部件卻是一場挑戰(zhàn)。在近期發(fā)表的論文中，STEP團隊描述了一臺直徑約9米、發(fā)電量高達200兆瓦的設備。

由于學界對球形設計的了解不如對傳統(tǒng)托卡馬克那樣充分，該設計也帶來了一些風險。目前運行中的最大的球形托卡馬克是兆安球形托卡馬克升級版（MAST），其直徑只有約2.5米，而設備在規(guī)模放大時可能會產生不同的表現(xiàn)。STEP還希望借鑒普林斯頓等離子體物理實驗室的國家球形環(huán)面實驗升級版托卡馬克（NSTX-U）的經驗，后者與MAST升級版大小類似，但加熱功率更高。NSTX-U在2016年因磁體故障受損后已停運8年?？祭硎荆琋STX-U的修復工作已接近完成，希望它能盡快達到與STEP目標相差不遠的等離子體條件。他說，一旦重新啟動運行，NSTX-U“多半可以提供他們所需的大部分信息”。

與一些私營核聚變項目類似，STEP計劃使用鍍在金屬帶上的薄層高溫超導材料制造磁線圈。這種相對較新的技術尚未在核聚變反應堆中測試，但應該能夠產生更強的磁場并減少能耗。另一個尚未測試的概念是在磁線圈上安裝接頭，以便打開反應堆容器并降低維護難度。在此前的所有托卡馬克反應堆中，磁鐵都構成了幾乎無法穿透的籠子，之間只留下小口供人進出。這意味著任何維護工作，如更換內壁，都需要花費數年時間。STEP的接頭設計意味著反應堆容器的上部可以像垃圾桶蓋一樣打開?！癝TEP是全世界第一批認真對待這個問題的地方之一?！笨祭硎?。

梅思文表示，開發(fā)者正在評估約60種設計變體，最終配置尚未確定?！拔覀兡壳鞍l(fā)布的絕不是最終版本。”他說。

資料來源Science

本文作者丹尼爾·克拉里（Daniel Clery）畢業(yè)于英國約克大學理論物理學系，自1993年起便為《科學》雜志撰寫科學文章