12月16日，Oxford Sigma、Kyoto Fusioneering(京都聚變)和STEP(Spherical Tokamak for Energy Production)發表了一項新研究，探索球形托卡馬克中氚增殖的創新方法。

這項研究發表在《Fusion Engineering and Design》雜志上，主要探討了在球形托卡馬克配置中，如何在中心柱區域實現氚的增殖。由于中心柱區域的可用空間非常有限，這成為了球形托卡馬克設計中的一個關鍵挑戰。研究的重點在于利用那些在氚增殖過程中能夠發揮作用的先進材料，這些材料不僅要能夠提供輻射屏蔽，還要能夠提供必要的結構支撐。這項工作表明，通過合作可以產生新的想法，以解決聚變技術中的獨特挑戰。

研究評估了兩種新型高溫概念，用于內部增殖包層設計，使用球形托卡馬克典型的密閉空間。主要發現包括：

基于鎢-錸-鉿-碳化鋰的設計 ，在研究中表現出最高的氚增殖比(TBR)。該設計針對屏蔽和熱要求進行了優化，在3D中子學計算中實現了0.135的整體TBR，使用W-24.5Re-2HfC(wt%重量百分比)、Li-6中濃縮至90%的鋰、薄層鈦酸鈹和五硼化鎢(W2B5)作為屏蔽材料。

碳化硅和鉛鋰概念也被研究作為一種替代增殖配置 ，相比之下，其整體TBR達到了0.048。

雖然結果表明這些設計的局部TBR仍遠低于1(自給自足所需的最低TBR)，特別是對于鉛鋰概念而言，但它們在促進氚增殖方面提供的部分貢獻可以支持開發實現氚自給自足的下一步實用解決方案——這是商業聚變能源面臨的一個關鍵挑戰。

圖1：各種屏蔽材料和濃縮水平的局部氚增殖率和中子通量的變化。

Oxford Sigma的高級工程師、本文的主要作者Mark Anderton評論道：“這項研究凸顯了創新材料在解決氚增殖與輻射屏蔽耦合的關鍵挑戰方面的重要性。此次合作使我們能夠探索球形托卡馬克中心柱的新設計空間，展示了先進材料如何幫助減少聚變商業化的障礙。”

Kyoto Fusioneering的首席創新者、本文的合著者Richard Pearson博士補充道：“這項研究展現了Kyoto Fusioneering的核心精神：我們采取的研究驅動、注重實際應用的方法，專門針對解決那些充滿挑戰的問題。通過與Oxford Sigma和STEP合作，我們集合了各方的專長和知識，以互補的方式共同解決聚變工廠設計中的獨特問題。突破已知的界限，并獲得洞察力，這些洞察力有朝一日可能會帶來新技術，為聚變能源開辟新的途徑。”

UKIFS容器和容器內系統設計集成負責人Simon Kirk博士補充道：“這個項目是核聚變組織本著開放精神共同努力的一個很好的例子，意味著不同組織的技術專長可以結合起來，以應對球形托卡馬克中心柱氚增殖的艱巨挑戰。”

關于Kyoto Fusioneering：

Kyoto Fusioneering成立于2019年，是一家私人資助的初創公司，在東京和京都(日本)、雷丁(英國)、卡爾斯魯厄(德國)和西雅圖(美國)設有設施。公司專注于為商業聚變電廠開發先進技術，例如gyrotrons系統、氚燃料循環技術和用于氚生產及發電的增殖毯。Kyoto Fusioneering與全球公共和私人聚變開發商合作，其使命是使聚變能源成為滿足人類能源需求的最終、可持續解決方案。

關于Oxford Sigma：

Oxford Sigma致力于通過加速聚變能源的商業化來解決能源安全和氣候變化問題。Oxford Sigma的使命是提供材料技術、材料解決方案和聚變設計服務，以加速聚變能源的商業化。Oxford Sigma是國際公認的聚變材料和技術領域的領導者。

關于STEP/UKIFS：

STEP(Spherical Tokamak for Energy Production)是一項重大技術和基礎設施計劃，旨在展示核聚變產生的凈能量、燃料自給自足和工廠維護途徑。UKAEA是STEP項目的聚變合作伙伴，計劃與STEP的兩位行業合作伙伴共同推進項目，一位來自工程領域，另一位來自建筑領域。預計合作的具體細節將于2025年底或2026年初公布。STEP項目將由UKAEA集團的全資子公司UK Industrial Fusion Solutions Ltd(UKIFS)負責實施。UKIFS將領導一個綜合交付團隊，致力于在諾丁漢郡的West Burton工廠設計和建造原型工廠。項目的目標是在2040年實現首次商業運營。