英国首次公开展示形似苹果核的新型聚变反应堆

图片来源：STEP

近年来，核聚变经历了某种程度的复兴，许多初创企业和政府都在认真研究这一想法。英国科学家现在展示了一种新型反应堆设计，该设计有望在 2040 年为电网提供电力。

尽管人们认为核聚变技术还需要 20 年才能实现，但近年来，随着人们越来越乐观地认为核聚变技术可能最终会实现，核聚变投资热潮已经出现。据核聚变工业协会称，去年新增 9 亿美元融资，总融资额达到 71 亿美元。

这种乐观情绪似乎并未因国际热核聚变实验堆(ITER)的重大推迟而受到打击。国际热核聚变实验堆是一项国际合作，长期以来一直被视为核聚变的旗舰项目。基于从国际热核聚变实验堆和其他公共资助实验中获取的知识，许多初创公司现在押注他们能够以极少的时间和成本交付小型核聚变反应堆。

但推动该技术商业化的不仅仅是私营部门。2019 年，英国政府提供了 3 亿英镑的资金，用于设计一种新型 200 兆瓦反应堆，即球形托卡马克能源生产系统 (STEP)。在最近发表在《皇家学会哲学学报 A》上的一系列论文中，其设计者现在展示了他们的想法。

最常见的核聚变反应堆设计是托卡马克，它加热一团电离气体，即等离子体，直到原子融合在一起，并在这一过程中产生巨大的能量。等离子体被包裹在环形反应堆容器周围的磁铁线圈产生的极强磁场所控制。

据《科学》杂志报道，STEP 遵循类似的原理，但又高又窄，更像一个去核的苹果。虽然这看起来可能没有太大的区别，但这意味着反应堆容器中心与环绕它的磁铁之间的距离比传统的托卡马克要小。

据《金融时报》报道，距离的缩短使得使用更小、更便宜的磁铁来容纳等离子体成为可能，并使整个设计更加紧凑。球形托卡马克的形状也会产生更稳定的等离子体，这应该会提高性能。然而，这种设计确实有其弊端。

聚变反应堆通常使用两种氢同位素燃料，即氘和氚。然而氚极其稀有，因此反应堆通过金属锂与聚变反应释放的中子之间的反应来产生自己的氚。这种锂储存在包裹在反应室周围的氚增殖毯中，这些增殖毯也可作为辐射屏蔽来保护磁铁。

托卡马克中心的孔洞通常装有大型磁铁和增殖毯。但由于球形托卡马克设计较窄，因此空间要小得多，因此 STEP 反应堆必须取消增殖毯并大幅缩小磁铁尺寸，甚至取消部分磁铁。

幸运的是，许多私营初创公司也在使用新型高温超导带，它可以帮助制造更紧凑的磁铁。但反应堆必须仅使用腔室外壁上的覆盖层来产生足够的氚，这意味着该团队必须使用液态锂和钒合金来设计出优化的设计。

反应堆设计者还选择了一种雄心勃勃的结构，磁体中有接头，这样就可以打开反应堆的顶部。这将大大加快维护工作，从而降低运营成本。

然而，项目负责人保罗·梅思文告诉《科学》杂志，最近公布的设计还远未尘埃落定。尽管该项目已经找到了一个地点——诺丁汉郡的一个退役燃煤发电站——但该项目目前正在与英国政府进行谈判，以确保获得四年的资金来制定最终蓝图。

因此，该反应堆是否能投入使用仍有待观察。但看到政府投入大量资金推动该技术的发展，令人鼓舞。