当地时间 12 月 5 日，美国能源部和英国能源安全与净零部宣布，将向英国托卡马克能源公司（Tokamak Energy）投资 5200 万美元，共同升级该公司的 ST40 实验性聚变设施，作为开启进一步合作的基础。
聚变能源被视为未来清洁能源的重要选择。这种能源形式不会产生温室气体排放，也不会产生长期的放射性废物。
如果能在地球上实现可控核聚变，将为人类提供一种安全、清洁且近乎无限的能源。
英国气候部长凯瑞·麦卡锡（Kerry McCarthy）表示：“聚变能源有潜力成为一种清洁和可持续的能源，从根本上改变我们的供电方式。
因此，这项战略合作对于加速开发这项令人振奋的新技术至关重要。”
（来源：Tokamak Energy）
Tokamak Energy 是这一领域的佼佼者，作为唯一一家拥有超过 10 年设计、建造和运营托卡马克装置经验的私营企业，其成就令人瞩目。
该公司起源于 2009 年，由英国原子能管理局分拆而来，经过十多年的发展，已经成为欧洲最具实力的私营聚变能源企业之一。
在此前与普林斯顿等离子体物理实验室（Princeton Plasma Physics Laboratory）和橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的合作中，该公司的 ST40 装置已经实现了比太阳核心温度还要高六倍的等离子体温度，成为首个达到 1 亿摄氏度的私营聚变反应堆。
此次升级项目的一个重要创新是将在 ST40 装置的内壁涂上锂元素涂层。
这项技术有望显著提高反应堆的性能和稳定性，其发展历程可以追溯到上世纪 90 年代。
普林斯顿等离子体物理实验室主任史蒂文·考利（Steven Cowley）解释说：“我们实验室在几十年前就开创了在聚变装置中使用锂涂层的先河。
我们发现锂涂层能显著改善约束性能。现在能够与私营企业合作，将这一专业知识付诸实践，我们感到非常兴奋。”
Tokamak Energy 的 CEO 沃里克·马修斯（Warrick Matthews）展望未来时表示：“我们的 ST40 近年来取得了令人印象深刻的成果，我们很高兴通过这次公私合作开启 ST40 的新使命。
这个项目将推进球形托卡马克和整个行业的聚变科学技术发展，朝着实现聚变能源的共同目标迈进。”
根据美国能源部的定义，实现可控核聚变需要同时满足三个关键条件：等离子体燃料粒子必须达到足够高的温度、足够高的密度，并且能够在足够长的时间内保持其热量。
这三个条件的同时实现对技术水平提出了极高的要求，这也是为什么聚变能源的商业化一直是一个巨大的挑战。
（来源：Tokamak Energy）
这个为期五年的项目预计将于 2025 年启动，三方将共同使用 5200 万美元的资金。升级后的设施预计将于 2027 年投入运营。
值得注意的是，这项合作的意义远不止于技术创新，它还将推动国际科研合作的深入发展。
根据协议，美英两国的大学和国家实验室的研究人员都能够从 ST40 托卡马克装置的研究中受益，这种开放共享的态度将有助于加速聚变能源技术的突破。
Tokamak Energy 的发展规划可谓雄心勃勃。该公司计划到 2026 年在英国原子能管理局的卡勒姆园区建造另一个球形托卡马克原型 ST80-HTS，用于展示高温超导磁体的全部潜力。
他们的目标是在 2030 年代建成一座示范性的并网聚变电站，并最终开发输出功率为 500 兆瓦的商业化装置，每座装置可为约 8.5 万户家庭供电。
根据 Tokamak Energy 最新披露的设计方案，他们正在开发一种“高场球形托卡马克装置（high-field spherical tokamak plant）”，预计能产生 800 兆瓦的聚变功率和 85 兆瓦的净电力输出。
这种新一代装置将采用高温超导磁体来约束和控制氘氚燃料，使其形成的等离子体温度远超太阳中心温度。
该装置的设计参数包括 2.0 的宽高比、4.25 米的等离子体主半径和 4.25 特斯拉的磁场强度，并配备液态锂氚增殖包层。这些技术指标如能实现，将标志着聚变能源技术的重大突破。
这项合作是美英两国 2023 年 12 月签署的聚变战略伙伴关系的重要组成部分，旨在推进美国的“商业聚变能源大胆十年愿景（U.S. Bold Decadal Vision）”和英国的聚变战略。
在资金支持方面，Tokamak Energy 已经展现出强大的募资能力，累计筹集了超过 3.35 亿美元的资金，目前是欧洲资金最充足的私营聚变能源企业。
据 Tokamak Energy 介绍，它采用的球形托卡马克设计相比传统的“甜甜圈”形状反应堆具有明显优势，不仅更加紧凑，还能更好地约束超高温等离子体，这意味着反应堆可以更小、更经济、更容易建造。
参考资料：
https://www.world-nuclear-news.org/articles/us-and-uk-partner-with-tokamak-energy-on-st40-upgrade
https://thenextweb.com/news/tokamak-energy-gets-us-uk-backing-for-52m-fusion-reactor-upgrade
https://interestingengineering.com/energy/us-uk-tokamak-energy-upgrade-fusion-facility
https://tokamakenergy.com/2024/12/05/tokamak-energy-partners-with-u-s-doe-and-uks-desnz-to-accelerate-fusion-development-through-52m-st40-upgrade/
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