英国拟建******商用聚变发电厂，有意外也有惊喜

       10月3日，英国***宣布将***2.2亿英镑，在2024年前完成核聚变电站的概念设计，并在2040年前完成。该项目被称为“能源生产用球形托卡马克”（STEP, Spherical Tokamak for Energy Production）。10月11日，《自然》杂志报道了这一消息，指出英国******近宣布将***2亿英镑（约合19亿元***）对世界上***座商用聚变电站进行前期研究，希望到2040年实现聚变能源的商业化。

       对于聚变能源研究行业的内部人士来说，这一消息不仅出人意料，而且合情合理，也是一个惊喜。令人惊讶和意外的是，即使是3个月前，就连项目负责人也没想到会有这么多的支持和这么快的速度。原因在于，***聚变能源研发进入了一个新的热潮期，各国竞争激烈，有望成为***个获得这一***能源的“圣杯”。

       英国宣布的路线是采用球形托卡马克方案。所谓球形托卡马克是一种低环径比的托卡马克装置。从外形上看，传统托卡马克就像一个轮胎，而球形托卡马克更像一个没有核心的苹果，因此比传统托卡马克更加紧凑。事实上，与传统托卡马克相比，球形托卡马克具有高磁压比的特点。磁压比是指等离子体压力和磁场压力的比值。数值越大，维持相同的聚变等离子体温度和密度所需的磁场越小，使得用于维持磁场的线圈消耗的能量越少，经济性越高，更有希望实现商业化聚变能量。

       但同时，球形托卡马克的研究尚并不充分，风险较大。它能否实现商业融合的目标还有很多不确定性。STEP项目采用了这一技术路线，也符合英国托卡马克研究的坚实基础。1990年在英国建造了世界上***台球形托卡马克装置START（***all Tight Aspect Ratio Tokamak，小紧环径比托卡马克），***验证了它的高磁压比等优良特性。目前，世界上***大的两个球形托卡马克之一，兆帕球形托卡马克位于英***勒姆的聚变能量中心，另一个是美国普林斯顿等离子体物理实验室的***球形环实验（NSTX），此外，英国聚变私营公司托卡马克能源公司同样基于球形托卡马克，并建造有ST40装置，公司的核心人员也来自卡拉姆的团队。

       受英国脱欧的影响，英国的融合研究经费近年来一直不稳定。STEP项目的出现是非常特殊的。可以说，7月底上任的新首相鲍里斯·约翰逊在8月参观了卡拉姆聚变能源中心后做出了贡献。英国***的大力支持甚至导致在10月初宣布了2.2亿英镑（请注意，《自然》提到了2亿英镑，略有不同）的前期研究资金，当时还没有STEP项目的详细计划。由于该项目仍由kalam聚变能源中心负责，推测该方案将在原有启动装置和桅杆装置的基础上进行设计，使装置的性能参数从原来的实验装置大大提高到可以作为能源发电的装置。

       目前，由于科学家的提升、公众的期待、政界人士和企业***者的支持等因素，***聚变能源进入了新一轮的研究热潮。事实上，英国***宣布的“世界上***座商用核聚变电站”并不是***个。除了国际热核聚变反应堆的ITER项目外，中国也在推出自己的进一步聚变路线，并一直在对中国聚变工程试验堆的CFETR进行预研究。CFETR采取I期工程验证，II期示范验证，***终建造聚变电站的三步走路线，是全***个有完整细节的***超过ITER项目的聚变研究计划。

       此外，***有越来越多的聚变民营企业进入该局，他们从不同角度公布了自己的路线图，如较大的有美国的TAE技术(TAE Technologies，原名“三阿尔法能源”)公司、联邦聚变系统（Commonwealth Fusion Systems）、洛克希德马丁公司，加拿大的通用聚变（General Fusion）公司，英国的曙光聚变（First Light Fusion）公司及前文提及的托卡马克能源公司等等。另外值得一提的是中国的新奥集团于2018年对外宣布将开展紧凑型聚变研究，目标是力争在未来三十年内实现聚变能源商业化。这是中国***家研究聚变能源的民营企业。新奥于今年8月（2019年）建成并发射了“玄龙-50”，这也是一个球形托卡马克装置。另一个在中国运行的小型球形托卡马克是2002年在清华大学工程物理系建造的太阳系“中国联合球形托卡马克”。

       从20世纪30年***始，聚变反应作为能量的概念就已经明确，目前人类使用的化石能源、太阳能、水能、风能等大部分能源基本上都是来自太阳作为恒星的聚变能量。20世纪50年代，人类已经实现了基于核聚变的***，它是一种无法控制的巨大能量释放装置。60多年来，人类一直期望实现一种可控、经济、能不断发射聚变能的能源装置。***步是实现科学的可行性，即所建装置的聚变产生的能量大于维持装置运行所需的能量输入；第二步是验证项目的可行性，即所建装置在连续能量释放过程中能够稳定运行；第三步是验证项目的可行性。第三步是实现聚变发电的商业可行性，即发电成本低、经济性强。上世纪90年代末，美国的TFTR、英国的JET和日本的JT60，三个托卡马克均接近了聚变科学可行性的临界值Q=聚变输出能量/输入能量≈1，放出的能量功率超过10兆瓦，一般认为，科学的可行性已经得到了验证。目前正在法国实施，预计造价将超过1000亿元***。据估计，“国际热核聚变堆ITER”作为目前2025年世界上***大的聚变装置，将进一步显著提高聚变温度、密度、约束时间等参数，对聚变能源的工程可行性的部分目标进行验证。

       地球上已经有几十种聚变方案经过了人类的试验，大多数方案都未能达到科学的可行性。这也是许多人提出***碰撞方案或地下车库静电***方案没有引起主流聚变科学家特别关注的原因。托卡马克是***有潜力的聚变能装置。在商业化的道路上，托卡马克***大的挑战不是改进等离子体约束，而是***氚的融合。***氚融合是***有可能的融合反应。反应截面大，所需温度低。它只需要1亿度。但有两个主要问题：***，它将产生14mev高能中子。目前还没有材料对其进行保护，这使得聚变装置不可能很小；其次，氚的半衰期只有12年。自然界没有天然氚，因此需要额外的方法。增殖增殖CFETR将采用厚度超过1米的覆盖层，以保护高能中子和氚的扩散。无中子的***聚变反应也是聚变科学家的研究方向。例如，氢硼聚变具有原料丰富、无中子等优点。当然，缺点是要比***氚核聚变困难得多，比如温度需要20多亿度。所有商用聚变装置，包括STEP，都需要解决这些挑战。

       与目前实际的核裂变能相比，核聚变能具有原料丰富、不存在***风险等优点。因为它需要极高的温度，一旦设备泄漏，温度就会下降，反应会自动停止。可以说，它***终可以解决能源、环境甚至人类的和平问题。有人担心核聚变后释放的能量过大，地球会因为热岛效应而崩塌。这种担心是多余的，因为人类消耗的能量等于太阳照射地球的能量。在那之后，我们可以实现星际旅行和移居到其他行星。可控核聚变能是实现“星海之梦”的重要保证，也是几代科学家几十年来一直在研究、直到实现仍需研究的源动力。

       为了人类的伟大梦想，科学家、公众、政治家、企业家和其他各界人士的支持是必不可少的。与美国***对核聚变研究的一再态度不同，英国***这次出人意料地支持核聚变具有更积极的意义。聚变研究对我国也具有重要意义，不仅因为我国能源短缺，而且因为曾经可控的核聚变发电是我国***次成功，我国无疑将成为人类文明发展的***羊。2006年我国加入ITER项目后，近十年来在聚变研究方面取得了很大进展。它实现了以下几个方面的并行和部分***。我国聚变产业的***者对未来实现******充满信心。聚变研发中也有许多“副产品”，推动了精密加工、超导磁体乃至国防等许多产业的发展。

       从五年的前期研究***2亿英镑来看，STEP装置的总***预计将低于ITER国际合作项目和中国CFETR项目。ITER项目和CFETR项目均***1000亿元。目前，***大的融合型民营企业泰安科技近十年来已获得风险***近50亿元。与聚变能源的巨大前景相比，这些***并不大。对于“聚变能还有30年，永远是30年”的笑话，有一种观点认为“聚变能可以在人们真正需要的时候实现”。

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