到2030年实现商业核聚变发电

的观点

梅兰妮·温德里奇和大卫·金汉姆

托卡马克能源公司为到2030年将核聚变发电投入电网做出的贡献是:ST40紧凑型核聚变反应堆原型机

世界正面临着深度脱碳的挑战，而突破能源联盟和新宣布的突破能源投资正在寻求大胆的新技术，比如核聚变，作为解决方案。去除我们所有能源的碳需要一种新颖的方法，但随着工程师、科学家和私人投资者对核聚变越来越重视，核聚变的潜力比以往任何时候都要大。

世界各地的核聚变研究人员正在开发未来核聚变发电的技术和材料。托卡马克能源公司的目标是到2030年将核聚变发电投入电网;我们正在追求“球形托卡马克”路线，以实现这一目标，使用紧凑的机器。迄今为止，我们的理论和实验研究表明，这比传统的大规模托卡马克装置可以更快地实现聚变。

托卡马克装置的能量从卡勒姆核聚变能源中心发展而来。该公司成立于2010年，目标是设计和开发小型球形托卡马克和紧凑型核聚变反应堆。球形托卡马克的发展在Culham的START和MAST托卡马克上是首创的，表现出了比传统甜甜圈形状更强的性能。我们现在在这一优秀科学的基础上，将重点重新转向工程，这使我们能够进一步提高性能，并朝着实现核聚变的方向前进。

我们紧凑方法的一个重要元素是使用高温超导(HTS)磁体。在托卡马克中，磁场将等离子体(发生聚变反应的带电气体)保持在远离机器壁的位置，因此可以达到数百万度的温度。与传统(低温)超导体相比，高温超导磁体可以产生更高的磁场，同时占用更少的空间，使它们与球形托卡马克更紧凑、更压缩的设计兼容。

因此，HTS磁铁允许相对小尺寸和低功率的高性能设备和广泛的快速商业部署机会。它们还比传统超导体节省能源，传统超导体必须冷却到4K (-269C)。我们计划将高温超导磁体冷却到20K左右，尽管它们的超导温度仍然高达77K。

我们已经建造了两台实验托卡马克，正在建造第三台ST40。这将于今年春天启动，作为到2030年将核聚变能源送入电网的五阶段计划的第三部分。它的设计目标是最终产生1亿度的等离子体温度(在地球上控制聚变的正确温度范围)，但近期目标是在2017年底前达到1500万度(与太阳中心一样热)。ST40的目标是达到能源盈亏平衡的10倍。为了更进一步，我们必须微调等离子体的密度、温度和限制时间。

ST40使用的是铜磁铁而不是高温超导，因此我们可以相对便宜和快速地制造它，但在高磁场、紧凑的配置中表现出显著的性能进步。但对于连续的反应堆运行，而不是短期的实验，超导磁体将不得不使用。同时，我们正在快速发展HTS磁铁技术，用于我们后续的机器。

到2019年，ST40将证明在小型托卡马克中可以实现聚变能条件。同时，我们将推出一个适合托卡马克的大型高温超导磁铁原型。

我们的下一个托卡马克装置，使用HTS磁铁，将需要比ST40大得多，但仍然比主流核聚变路线上的大型托卡马克小得多，如目前在法国建设的ITER。利用在ST40上获得的知识，我们将建造一个反应堆，在2025年前首次演示核聚变发电。这将成为首个发电厂模块的基础，该模块将在2030年之前向电网输送电力。

我们ST40的目标是大胆和雄心勃勃的。核聚变是一个巨大的挑战，但如果我们要实现能源供应的基本脱碳，就必须解决这个挑战。这将需要大量的投资、学术和工业合作、优秀的供应链、良好的管理以及许多有奉献精神和创造力的工程师和科学家。在通往核聚变能源的道路上，合作至关重要，因为众多复杂的挑战需要专业的知识和技能。

在托卡马克能源公司，我们将核聚变发展过程分解为一系列工程挑战，并对目标进行连续投资。到目前为止，我们已经从L&G资本、牛津仪器、机械工程师学会、彩虹种子基金和其他几家机构获得了2000万英镑的投资。

核聚变的未来是光明的。私营企业正在越来越多地应对以前被认为是政府领域的挑战，这将加速发展。它允许像我们这样规模较小、灵活的公司采取不同的方法进行融合，并在一个已经变得庞大、政治化和繁琐的领域取得新的进展。正如英国皇家学会前主席勒德洛的里斯勋爵所总结的那样，“私营部门现在比西方政府更愿意承担科学项目的风险。”

托卡马克能源公司将聚变能源作为一项工程挑战和业务。我们相信，通过合作、奉献和投资，核聚变将成为全球能源供应脱碳的可行手段。

David Kingham博士是位于牛津郡Culham的托卡马克能源公司的首席执行官，Melanie Windridge博士是业务发展经理