“极其困难”、“技术难度高”、“困难”、“复杂”。这些只是在英国牛津郡举行的一次活动中用来描述建造原型核聚变发电厂计划的几个精选词语。9月5日，在英国原子能管理局(UKAEA)Culham校区举行的半天会议上，工程师和物理学家讨论了未来的挑战以及这项核聚变“登月计划”带来的机遇。
所讨论的聚变工厂原型被称为球形托卡马克能源生产装置(STEP)，英国政府于2019年首次宣布了这一计划，当时它公布了一项2.2亿英镑的项目资金计划。STEP将基于目前由英国Culham聚变能源中心(CCFE)率先采用的“球形”托卡马克技术。2022年，STEP的厂址被选定在诺丁汉郡西伯顿的一座前燃煤发电站。STEP预计将于2040年代开始运营，旨在通过展示净能量、燃料自给自足和可行的工厂维护途径来证明聚变的商业可行性。
目前全球领先的球形托卡马克包括CCFE的兆安球形托卡马克(MAST-U)和美国普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的国家球形环面实验，后者的升级工作即将完成。然而，尽管取得了很大进展，这些托卡马克尚未通过在燃料中使用氢同位素氚来展示聚变条件，而这是实现“燃烧”等离子体的必要条件。不过，这一目标已经在传统托卡马克中实现，例如2023年关闭的联合欧洲联合环面(JET)。
核聚变“登月计划” Culham会议是为了纪念过去四年中STEP技术进展的15篇论文的发表。这些论文涵盖了STEP的等离子体、维护、磁铁、氚增殖计划以及燃料自给自足的途径(《哲学学报》A 382 20230416)。
在会谈中，一个突出的问题是如何将托卡马克技术中的各个要素应用到STEP项目中，即球形托卡马克能源生产项目。一位小组成员指出，这一过程的复杂性远远超出了我们目前的理解。尽管过去十年中，理论和模型模拟取得了显著进步，但即便是最先进的模型也无法完全替代实际的实验验证。普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的主任物理学家Steve Cowley强调：“在我们完成STEP项目之前，我们无法完全掌握所有知识。” 面临的挑战包括控制等离子体中可能出现的不稳定性，这些不稳定性在极端情况下可能会导致反应堆壁的破坏，以及操作高温超导磁体来约束等离子体，而这些等离子体在聚变条件下的性能尚未经过充分测试。
另一个重大挑战是通过锂中子俘获自增殖氚，这将在反应堆周围大约一米厚的“增殖毯”中进行。这远非易事，STEP团队仍在研究哪种技术可能占上风——是使用固体球床还是液态锂。例如，虽然液态锂擅长生产氚，但提取同位素放回反应堆却很复杂。
美国橡树岭国家实验室核聚变试验工厂研发主管Howard Wilson强调，STEP不会成为一座商业发电厂。相反，它的工作是展示“一条走向商业化的道路”。这可能分为几个阶段，第一阶段是发电1吉瓦，这将为“电网”带来100兆瓦(其余900兆瓦用于为系统供电)。第二阶段将测试通过在反应堆中自增殖氚，即所谓的“闭式燃料循环”，这种发电是否可持续。
英国原子能管理局(UKAEA)首席执行官伊恩·查普曼(Ian Chapman)概述了即便STEP项目能够证明以可持续方式向电网输送能源是可行的，核聚变仍面临的“严峻”挑战。“我们需要开展一个项目，提供人们愿意购买的能源，”他强调。这一目标将部分通过STEP的第三个目标实现，即更深入地了解核聚变发电厂的维护需求及其对反应堆停机时间的影响。“如果没有经济有效的解决方案，我们就失败了。”STEP工程总监黛比·肯普顿(Debbie Kempton)补充道。
STEP官员目前正在选择工程和建筑领域的行业合作伙伴，与UKAEA共同进行设计工作。事实上，STEP项目的目标不仅是建造一座工厂，更是要打造一个完整的核聚变行业。活动前播放的一段激动人心的两分钟宣传视频，将核聚变技术的发展与蒸汽火车和疫苗的诞生相提并论，这无疑为人们提供了一个必要的现实检验。
