英国的聚变能源生产方法在 2019 年 STEP（球形托卡马克能源生产）计划宣布后逐渐成型。该计划的第一阶段（2019-2024 年）已结束，当时发布了综合聚变原型发电厂的概念设计。该计划将基于使用托卡马克机器的磁场约束等离子体，但英国的 STEP 将使用球形托卡马克，而不是 ITER 使用的传统甜甜圈形托卡马克。球形托卡马克被认为具有多种优势。该工厂将建在诺丁汉郡，预计将于 2040 年代初投入运营。
为满足日益增长的人口和世界经济对能源日益增长的需求，我们需要一种可靠的清洁能源，以迅速应对各种挑战（包括可耗尽的化石燃料、碳排放和气候变化、核裂变反应堆带来的环境风险以及可再生能源的可扩展性差等）。当今时代，人们的感受从未像现在这样强烈。
在自然界中，核聚变为包括我们太阳在内的恒星提供能量，这种聚变发生在恒星的核心，那里存在聚变条件（即数亿摄氏度的极高温度和压力）。在地球上创造可控的聚变条件是获得无限清洁能源的关键。这涉及建立一个温度极高的聚变环境以引发高能碰撞，该环境具有足够的等离子体密度以增加碰撞概率，并且可以将等离子体限制足够长的时间以实现聚变。显然，限制和控制过热等离子体的基础设施和技术是商业利用聚变能的关键要求。世界各地正在探索和应用不同的等离子体约束方法，以实现聚变能的商业化。
惯性约束聚变（ICF）
在惯性聚变方法中，通过快速压缩和加热少量聚变燃料来创造聚变条件。劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的国家点火装置 (NIF) 使用激光驱动内爆技术，使用高能激光束将装有氘氚燃料的胶囊内爆。NIF 于 2022 年 2023 月首次实现聚变点火。随后，在 XNUMX 年进行了三次聚变点火演示，证实了可利用受控核聚变来满足能源需求的概念验证。
磁约束等离子体方法
许多地方都在尝试使用磁铁来约束和控制等离子体以进行聚变。IITER 是 35 个国家中最雄心勃勃的聚变能源合作组织，总部位于法国南部的圣保罗莱兹迪朗斯，它使用一种环形圆环（或环形磁性装置），称为托卡马克，旨在将聚变燃料在足够高的温度下长时间约束，以便发生聚变点火。托卡马克是聚变发电厂领先的等离子体约束概念，只要等离子体稳定，它就可以保持聚变反应持续进行。ITER 的托卡马克将是世界上最大的托卡马克。
英国的 STEP (球形托卡马克能源生产装置) 聚变计划：
与 ITER 一样，英国的 STEP 聚变计划也是基于使用托卡马克对等离子体进行磁约束。然而，STEP 计划的托卡马克将是球形的（而不是 ITER 的环形）。球形托卡马克结构紧凑、成本低廉，而且可能更容易扩展。
STEP 计划于 2019 年宣布。随着集成聚变原型动力装置概念设计的发布，其第一阶段（2019-2024 年）已经结束。
《皇家学会哲学学报 A》专题，题为“提供聚变能源——球形托卡马克能源生产系统 (STEP)”于 15 年 26 月 2024 日发布，其中包含 2040 篇同行评审论文，详细介绍了设计和建造英国首个核聚变发电原型工厂的计划的技术进展。这些论文全面概述了设计情况，并概述了所需的技术，以及到 XNUMX 年代初将其集成到原型工厂中。
STEP 计划旨在通过展示净能量、燃料自给自足和可行的工厂维护途径，为核聚变的商业可行性铺平道路。它采用整体方法来交付一个完全可运行的原型工厂，并将退役作为设计的一部分。
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参考文献：
- 英国政府。新闻稿——英国在聚变发电厂设计方面处于世界领先地位。03 年 2024 月 XNUMX 日发布。可访问 https://www.gov.uk/government/news/uk-leading-the-world-in-fusion-powerplant-design
- “传递聚变能量——用于能源生产的球形托卡马克 (STEP)”。皇家学会主题版《哲学学报 A》。主题期刊中的所有 15 篇同行评审文章均于 26 年 2024 月 XNUMX 日发布。可在 https://royalsocietypublishing.org/toc/rsta/2024/382/2280
- 英国研究人员展示了新型聚变发电厂的设计图。《科学》。4 年 2024 月 XNUMX 日。DOI： https://doi.org/10.1126/science.zvexp8a
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