“極其困難”、“技術(shù)難度高”、“困難”、“復(fù)雜”。這些只是在英國(guó)牛津郡舉行的一次活動(dòng)中用來描述建造原型核聚變發(fā)電廠計(jì)劃的幾個(gè)精選詞語(yǔ)。9月5日，在英國(guó)原子能管理局(UKAEA)Culham校區(qū)舉行的半天會(huì)議上，工程師和物理學(xué)家討論了未來的挑戰(zhàn)以及這項(xiàng)核聚變“登月計(jì)劃”帶來的機(jī)遇。

所討論的聚變工廠原型被稱為球形托卡馬克能源生產(chǎn)裝置(STEP)，英國(guó)政府于2019年首次宣布了這一計(jì)劃，當(dāng)時(shí)它公布了一項(xiàng)2.2億英鎊的項(xiàng)目資金計(jì)劃。STEP將基于目前由英國(guó)Culham聚變能源中心(CCFE)率先采用的“球形”托卡馬克技術(shù)。2022年，STEP的廠址被選定在諾丁漢郡西伯頓的一座前燃煤發(fā)電站。STEP預(yù)計(jì)將于2040年代開始運(yùn)營(yíng)，旨在通過展示凈能量、燃料自給自足和可行的工廠維護(hù)途徑來證明聚變的商業(yè)可行性。

目前全球領(lǐng)先的球形托卡馬克包括CCFE的兆安球形托卡馬克(MAST-U)和美國(guó)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的國(guó)家球形環(huán)面實(shí)驗(yàn)，后者的升級(jí)工作即將完成。然而，盡管取得了很大進(jìn)展，這些托卡馬克尚未通過在燃料中使用氫同位素氚來展示聚變條件，而這是實(shí)現(xiàn)“燃燒”等離子體的必要條件。不過，這一目標(biāo)已經(jīng)在傳統(tǒng)托卡馬克中實(shí)現(xiàn)，例如2023年關(guān)閉的聯(lián)合歐洲聯(lián)合環(huán)面(JET)。

核聚變“登月計(jì)劃” Culham會(huì)議是為了紀(jì)念過去四年中STEP技術(shù)進(jìn)展的15篇論文的發(fā)表。這些論文涵蓋了STEP的等離子體、維護(hù)、磁鐵、氚增殖計(jì)劃以及燃料自給自足的途徑(《哲學(xué)學(xué)報(bào)》A 382 20230416)。

在會(huì)談中，一個(gè)突出的問題是如何將托卡馬克技術(shù)中的各個(gè)要素應(yīng)用到STEP項(xiàng)目中，即球形托卡馬克能源生產(chǎn)項(xiàng)目。一位小組成員指出，這一過程的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們目前的理解。盡管過去十年中，理論和模型模擬取得了顯著進(jìn)步，但即便是最先進(jìn)的模型也無(wú)法完全替代實(shí)際的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的主任物理學(xué)家Steve Cowley強(qiáng)調(diào)：“在我們完成STEP項(xiàng)目之前，我們無(wú)法完全掌握所有知識(shí)。” 面臨的挑戰(zhàn)包括控制等離子體中可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定性，這些不穩(wěn)定性在極端情況下可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆壁的破壞，以及操作高溫超導(dǎo)磁體來約束等離子體，而這些等離子體在聚變條件下的性能尚未經(jīng)過充分測(cè)試。

另一個(gè)重大挑戰(zhàn)是通過鋰中子俘獲自增殖氚，這將在反應(yīng)堆周圍大約一米厚的“增殖毯”中進(jìn)行。這遠(yuǎn)非易事，STEP團(tuán)隊(duì)仍在研究哪種技術(shù)可能占上風(fēng)——是使用固體球床還是液態(tài)鋰。例如，雖然液態(tài)鋰擅長(zhǎng)生產(chǎn)氚，但提取同位素放回反應(yīng)堆卻很復(fù)雜。

美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室核聚變?cè)囼?yàn)工廠研發(fā)主管Howard Wilson強(qiáng)調(diào)，STEP不會(huì)成為一座商業(yè)發(fā)電廠。相反，它的工作是展示“一條走向商業(yè)化的道路”。這可能分為幾個(gè)階段，第一階段是發(fā)電1吉瓦，這將為“電網(wǎng)”帶來100兆瓦(其余900兆瓦用于為系統(tǒng)供電)。第二階段將測(cè)試通過在反應(yīng)堆中自增殖氚，即所謂的“閉式燃料循環(huán)”，這種發(fā)電是否可持續(xù)。

英國(guó)原子能管理局(UKAEA)首席執(zhí)行官伊恩·查普曼(Ian Chapman)概述了即便STEP項(xiàng)目能夠證明以可持續(xù)方式向電網(wǎng)輸送能源是可行的，核聚變?nèi)悦媾R的“嚴(yán)峻”挑戰(zhàn)。“我們需要開展一個(gè)項(xiàng)目，提供人們?cè)敢赓?gòu)買的能源，”他強(qiáng)調(diào)。這一目標(biāo)將部分通過STEP的第三個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，即更深入地了解核聚變發(fā)電廠的維護(hù)需求及其對(duì)反應(yīng)堆停機(jī)時(shí)間的影響。“如果沒有經(jīng)濟(jì)有效的解決方案，我們就失敗了。”STEP工程總監(jiān)黛比·肯普頓(Debbie Kempton)補(bǔ)充道。

STEP官員目前正在選擇工程和建筑領(lǐng)域的行業(yè)合作伙伴，與UKAEA共同進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。事實(shí)上，STEP項(xiàng)目的目標(biāo)不僅是建造一座工廠，更是要打造一個(gè)完整的核聚變行業(yè)。活動(dòng)前播放的一段激動(dòng)人心的兩分鐘宣傳視頻，將核聚變技術(shù)的發(fā)展與蒸汽火車和疫苗的誕生相提并論，這無(wú)疑為人們提供了一個(gè)必要的現(xiàn)實(shí)檢驗(yàn)。