球形STEP反应堆可能依赖超导带和连接式磁铁实现。

近日，英国研究人员向全世界展示了他们的原型反应堆设计方案，该反应堆旨在证明核聚变能源的可行性，并计划在21世纪40年代初实现并网发电。为了降低成本，“球形托卡马克能源生产装置”（STEP）可能会依赖由创新超导带制成的电磁铁，并且，其反应堆容器和磁铁可能采用连接式设计，以便更换磨损的组件。这些细节收录在《皇家学会哲学汇刊A刊》特刊的15篇论文中。

美国麻省理工学院的丹尼斯 · 怀特（Dennis Whyte）表示，STEP是“核聚变竞赛中一个非常重要的项目”。美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的主任斯蒂芬 · 考利（Steven Cowley）也赞成这一观点，并称其“可能是最先进的项目之一”。

迄今为止建成的所有核聚变反应堆都是研究设备，旨在理解如何在数亿度高温下控制和约束翻腾的电离气体或等离子体，以实现氢核的聚变。正在法国建设的国际热核聚变实验堆（ITER）是一个庞大的国际项目，其目标是证明核聚变反应可以产生能源盈余。近年来，开发者们正计划迈出下一步：建造一座试验发电站。风险资本家和富豪们正在为数十个这样的项目提供资金支持。

相较之下，STEP则是由英国政府资助，并由位于卡拉姆的一座国家核聚变实验室的科学家领导，该实验室隶属于英国原子能管理局（UKAEA）。英国政府为该项目提供了3亿英镑（约合28亿人民币）的资金支持，于2019年启动了项目的设计阶段，并于2022年选定了建设地点：位于诺丁汉郡西伯顿的一座退役燃煤发电站。项目负责人保罗 · 梅思文（Paul Methven）表示，该项目目前正在与政府商谈未来四年的资金支持，以最终确定设计方案。梅思文同时也是负责建造STEP的英国原子能管理局下属英国工业核聚变对策公司的首席执行官。尽管STEP项目是由上一届的保守党政府发起，但梅思文表示，该项目与新当选的工党政府所强调的经济增长及实现碳中和任务极为契合。“到目前为止，一切顺利。”他说。

STEP的设计是最成功的反应堆类型（托卡马克）的一种变体。托卡马克是一种被电磁铁包围的环形反应堆容器，它负责容纳等离子体，其他装置则对其进行加热。但托卡马克的发展趋势是越做越大。ITER的托卡马克装置直径超过19米，整个项目的成本可能超过250亿欧元（约合1972亿人民币）。欧洲计划的下一台核聚变机器名为聚变示范电站（DEMO），其中的托卡马克将会比ITER的更大。怀特认为，这些昂贵的庞然大物会让能源公司望而却步。

为了降低成本，STEP的托卡马克将采用球形设计——比起甜甜圈，它会更像一个去核的苹果。该设计由英国原子能管理局卡拉姆实验室首创，已被证明可以稳定等离子体，并使设备整体变得更小、更便宜。然而，在该设计中，要在狭窄的中央核心内容纳必需的磁体部件却是一场挑战。在近期发表的论文中，STEP团队描述了一台直径约9米、发电量高达200兆瓦的设备。

由于学界对球形设计的了解不如对传统托卡马克那样充分，该设计也带来了一些风险。目前运行中的最大的球形托卡马克是兆安球形托卡马克升级版（MAST），其直径只有约2.5米，而设备在规模放大时可能会产生不同的表现。STEP还希望借鉴普林斯顿等离子体物理实验室的国家球形环面实验升级版托卡马克（NSTX-U）的经验，后者与MAST升级版大小类似，但加热功率更高。NSTX-U在2016年因磁体故障受损后已停运8年。考利表示，NSTX-U的修复工作已接近完成，希望它能尽快达到与STEP目标相差不远的等离子体条件。他说，一旦重新启动运行，NSTX-U“多半可以提供他们所需的大部分信息”。

与一些私营核聚变项目类似，STEP计划使用镀在金属带上的薄层高温超导材料制造磁线圈。这种相对较新的技术尚未在核聚变反应堆中测试，但应该能够产生更强的磁场并减少能耗。另一个尚未测试的概念是在磁线圈上安装接头，以便打开反应堆容器并降低维护难度。在此前的所有托卡马克反应堆中，磁铁都构成了几乎无法穿透的笼子，之间只留下小口供人进出。这意味着任何维护工作，如更换内壁，都需要花费数年时间。STEP的接头设计意味着反应堆容器的上部可以像垃圾桶盖一样打开。“STEP是全世界第一批认真对待这个问题的地方之一。”考利表示。

梅思文表示，开发者正在评估约60种设计变体，最终配置尚未确定。“我们目前发布的绝不是最终版本。”他说。

资料来源Science

————————

本文作者丹尼尔·克拉里（Daniel Clery）毕业于英国约克大学理论物理学系，自1993年起便为《科学》杂志撰写科学文章