英国推进聚变技术的商业化

英国公布了其聚变战略的最新消息，目标是利用其在卡勒姆开发JET的经验，将该项目最终转向商业开发。

1、英国聚变中心

JET托卡马克现在正在进行退役工作，但从该项目中吸取的经验教训将用于聚变技术的商业化(图源：EUROfusion)

英国政府最近的一项评估得出结论，位于英国原子能管理局(UKAEA)的英国聚变中心“健康状况良好”。

英国表示，该组织“拥有有效的领导和机制，可以确保高标准的管理和责任”，因为它“代表政府履行重要职能，实施英国的聚变发展战略”。

这一评价的发布正是时候，正如10月发表的《迈向2023年聚变能源：英国聚变能源战略的下一阶段》所述，UKAEA正准备启动英国的聚变工作，以实现聚变产业。

到2050年，英国的电力需求预计将从2022年的326 TWh(其中56%来自低碳技术)增加到570~630 TWh。

政府表示，聚变可以提供基本负荷的低碳电力和高品位的热量，促进工业过程脱碳，“由于研究JET获得的专业知识，通过其广泛的聚变研发计划开发获得的独特能力，英国国内不断发展和充满活力的聚变产业，以及世界领先的适度、支持创新的监管框架，英国在利用聚变的巨大社会和经济机遇方面处于独特地位。”

2、商业化推进

卡勒姆JET设施的研究经验将用于商业开发(图源：UKAEA)

“下一阶段”是在英国发布首个聚变能源战略两年后，该战略的目标是利用英国独特的科学和技术专业知识，并将该技术商业化。

政府声称，在此期间，在一个快速发展的环境中取得了“重大进展”，该环境为“全球越来越多的私营部门聚变公司带来了可观的投资，这些公司往往具有雄心勃勃的发展时间表和广泛的技术方法”。

它强调了英国在将聚变从“核”监管环境中提升出来的过程中的立法，用于能源生产的球形托卡马克(STEP)概念设计的进展，以及对发展中的英国聚变部门及其供应链的刺激。

计划中的STEP大楼(图源：UKAEA)

这一更新后的战略，保留了原战略中规定的国际合作、科学技术专业知识和商业化三大核心支柱。更新的是聚变未来计划，“重点是支持聚变行业的发展，增强英国在竞争日益激烈领域的领导地位”。

聚变未来方案的三个核心领域是：

为英国牛津郡卡勒姆(Culham)周围的聚变集群提供更多的基础设施资金。这在聚变基金会计划下，于2020年启动的，在卡勒姆合作的公共组织和企业社区在一年内吸引了200多名成员。会员可以获得技术设施、创业支持和经验丰富的同行交流。

为公共和私营部门提供一个新设施，以支持聚变燃料发电的研究和创新。

一个新的聚变技能中心，将与大学、学院和雇主合作，为所有职业水平的科学家、工程师和技术人员提供交流通道。

政府还承诺提供财政支持，以“满足其聚变战略的雄心”。

UKAEA的新聚变技术设施(图片：Harworth)

2021/22年至2024/25年期间，该公司为研究计划和设施投资超过7亿英镑(8.68亿美元)，2022年投资1.26亿英镑(1.56亿美元)。

现在，该公司计划到2027年再追加6.5亿英镑(8.06亿美元)。新的资金是为欧洲原子能共同体(Euratom)提供的，在英国退出Euratom计划后，资金被重新调整用途。尽管如此，英国政府表示，英国“仍然对与欧盟和其他国际伙伴的合作持开放态度”。

3、不断发展的战略

英国的聚变战略将着眼于JET部署的环面(图源：EUROfusion)

英国表示，它已经确立了在聚变行业的地位，“是时候考虑解决更广泛的行业需求了”，并研究其他技术以及部署在JET的环面，这一直是过去合作的主要重点。

现在，“专门从事惯性聚变等其他聚变技术的全球聚变市场，可以为英国提供机会”。

它突出了几个对比鲜明的项目。它们包括：

诺丁汉郡的STEP计划，旨在到2040年设计、开发和建造一座原型发电厂。截至2024年，政府承诺为STEP的第一步提供超过2.4亿英镑(2.98亿美元)的资金，到2025年，资金将超过3亿英镑(3.72亿美元)。它表示，STEP是一个“雄心勃勃、高风险的计划”，将“通过在一个单一的能源生产设施中集成和运行工业规模的聚变系统，在证明聚变的商业可行性方面发挥重要作用，这将激励英国的整个聚变行业。”英国工业聚变解决方案有限公司(UKIFS)正在成立，作为一个交付机构，将于2024年8月全面成立。

First Light Fusion的惯性约束等离子体技术，已筹集了7800万英镑(9700万美元)的私营部门资金。该设计避开了许多其他聚变方法和预计在2030年代初至中期建造的原型发电厂的许多主要工程挑战。发电厂的下一步是点火示范，目标是2027年，将在卡勒姆的一个专门建造的设施中进行。

4、更广泛的问题

英国表示，他们可以利用在卡勒姆研究JET的相关经验(图源：EUROfusion)

修订后的战略包括国际合作、监管和法律问题。

尽管离开了欧洲原子能共同体，但英国表示：“聚变是一项全球性的努力，国际合作在研发方面的优势是众所周知的。我们希望利用国际合作加快商业化，降低英国及其合作伙伴的聚变能开发成本。”

它想要一条新的合作路线：

利用国际研发合作加速聚变能源的商业化。

通过合作降低英国聚变计划的成本和风险，同时保护英国的知识产权和竞争优势。

领导国际聚变标准和法规的制定，确保安全，最大限度地发挥全球聚变潜力，同时为英国创造重要的市场机会。

它热衷于监管“促进而不是扼杀创新”。目前正在进行的立法将意味着聚变由传统的安全和环境监管机构(健康与安全执行局和环境局)监管。《能源法案》中的条款预计将于2024年成为法律。

聚变也将被排除在许多核责任安排之外。

英国将与国际合作伙伴就第三方责任，以及事故发生时状况进行合作，以明确聚变供应链是否需要承担责任。

还必须澄清保障措施和出口管制，因为尽管聚变废物不像裂变废物那样具有放射性，但它包括受监管的氚。

政府在国内的下一步是出台聚变能源国家政策声明，该声明将简化STEP和私人开发商的同意程序。

政府将投资高达1800万英镑(2200万美元)建立一个技术转移中心，致力于弥合研究和商业技术之间的差距，并将探索英国聚变投资基金的选择，为英国聚变公司和供应商提供“耐心资本”。

5、授予补助金

在英国卡勒姆的聚变训练设施(图片：UKAEA)

作为聚变未来的一部分，英国的目标是投资高达2亿英镑(2.48亿美元)建造一个燃料循环测试设施，以开发基于锂的氚增殖器解决方案、先进中子诊断和集成氚生产解决方案的技术。

该设施将是独一无二的，将有助于应对全球聚变商业化的关键挑战，为英国国内外的大学和工业创造新的机会。

该设施还将使英国成为氚知识产权的领导者，并为英国出口氚相关技术提供机会。

UKAEA在一项“聚变行业挑战”倡议中获得了7,410,371英镑(900万美元)的资助，该倡议旨在支持英国在经济、可持续和可扩展聚变能源方面的领导地位，特别是鼓励在经济、可持续和可扩展的聚变能源燃料循环中开发锂的创新。

这些主题包括可以丰富锂-6比例的技术。

UKAEA表示，浓缩对许多聚变动力设计的燃料可持续性至关重要，可以通过提高氚的生产来增加价值。

这将使其他聚变发电厂能够调试和重启。该公司表示，“锂富集是一种前端燃料循环服务，将满足世界各地聚变反应堆运营商的需求”。

它正寻找在产品质量、经济性(生产率、资本成本、能源和资源消耗或副产品价值)以及环境和工人保护(危险、废物生产和许可证障碍，如《水俣公约》)方面优于现有锂富集技术的绩效指标。

它还寻找：

可以从锂增殖材料中提取氚，并使其能够为正在进行的氘-氚反应提供燃料的技术。

可以将锂从现有供应链中可用的形式，转化为适合同位素富集过程的形式或聚变能工厂的氚增殖系统所需形式的技术。

回收锂的潜力，无论是从其他部门回收到聚变，还是在聚变能源工厂使用后回收到其他部门。

布里斯托尔大学获得了726,383英镑(90万美元)和1,237,502英镑(150万美元)的两项资助，爱丁堡大学获得了1,497,970英镑(190万美元)，曼彻斯特大学获得了1,285,606英镑(160万美元)。

6、IAEA探索商业聚变世界

国际原子能机构(IAEA)就其在聚变中的作用发表了第一份“展望”出版物。它揭示了有关废物和责任的法律框架中的一些空白。

IAEA一直在加紧其聚变活动。此举是对大量政府举措和私营部门投资的回应。

该组织强调了美国和欧盟(德国还有其他举措)、英国和日本的政府举措。

IAEA在其出版物中表示，它希望“以整体的方式，结合从成功的裂变能发电厂中吸取的最佳实践和教训”来解决聚变问题。

它指出，它已经涵盖了许多聚变研究和技术领域，包括等离子体和材料科学、基本聚变过程数据、监管框架、许可证、核安全、核废料管理、核责任问题，以及核聚变设施的经济方面——2019年成立了IAEA内部跨部门核聚变协调委员会。

现在，IAEA表示，它正在加快聚变研究和开发，并将与各国、其他组织和不断发展的聚变行业合作，应对科技挑战，帮助提供人才管道，培育供应链，建立最佳知识管理实践，并与公众接触，使聚变能源成为现实。

废物是一个关键问题，尽管IAEA指出，聚变产生的废物与裂变废物有很大不同，但它表示，我们需要吸取教训。

“所有聚变废物在产生前都需要有一个有计划的处置途径。由于聚变废物将含有更多的短命放射性元素，可以考虑不同的策略，包括新的废物形态标准、不太强调长期废物形态稳定性的标准，以及减少废物总量和活性的延迟和衰变策略。”

聚变废物具有较少的衰变热生成和快速的放射性衰变。但“回收和清理工作对聚变部署至关重要，最大限度地减少与放射性废物相关的后代负担”。操作过程中产生的中级废物可能需要一定程度的衰变储存，但大多数废物都是结构和功能材料。

最具挑战性的是处理含氚成分。

基于伽马能谱的常规定标方法，不能用于聚变废物中的氚测量，因为氚的量与其他活化核素的相关性可能不存在，因为材料通过从其他来源渗透到材料中而被氚化。

“实验室或中试规模开发的氚净化和回收技术，需要在工艺规模上进行演示和商业化。例如，许多低水平废物处理场对可处理的氚有严格且非常低的限制(例如30纳克T或107 Bq T/克废物)。

对于现实的氚废物管理，可能必须重新考虑这些水平，以创建一个安全的处置位置，或者必须创建和实施专门的氚管理选项。”

报告称，在安全方面，同行评审“似乎为报告核聚变设施的安全和聚变废物的安全管理提供了一个有效的机制”。

尽管聚变设施在20世纪90年代进行了现代化改造，但在核损害民事责任特别制度中，聚变设施目前不在仪器核装置定义的范围内。

由于商业用途在遥远的未来，人们认为没有必要定义。因此，与第三方因聚变活动而遭受的放射性损害有关的潜在索赔，必须根据一般侵权法处理，但不受限制，并可能针对运营商和供应商提出。