10月3日，英國政府宣布將投資2.2億英鎊在2024年前完成聚變電站的概念設計，并于2040年前建成，項目取名為“能源生產用球形托卡馬克”(STEP, Spherical Tokamak for Energy Production)。10月11日，英國《自然》雜志報道了這一新聞，指出英國政府近日宣布，將投資2億英鎊(約合人民幣19億元)，用來預研全球首個商用聚變發電廠，希望到2040年實現聚變能源的商業化。

　　這個消息對聚變能源研究的行業內部人士來看，既有意外，又有其合理性，同時也是一種驚喜。意外和驚喜在于，甚至3個月前，連該項目的負責人都未料到能得到這么大的支持，并且這么快。合理在于，全球聚變能源研發進入了新的熱潮期，各國競爭激烈，期望第一個獲得這一終極能源的“圣杯”。

　　英國此次宣布的路線是采取球形托卡馬克方案。所謂的球形托卡馬克是一種低環徑比的托卡馬克裝置。從形狀上看，傳統托卡馬克像輪胎，而球形托卡馬克更像是去了核的蘋果，因此它比傳統托卡馬克更緊湊。的確，與傳統托卡馬克相比，球形托卡馬克具有高磁壓比的特點。磁壓比是指等離子的壓強與磁場的壓強的比值，值越大代表維持同樣的聚變等離子體溫度、密度需要的磁場越小，從而維持磁場用的線圈耗能更小、更經濟，更有希望實現商業化聚變能源。但與此同時球形托卡馬克的研究尚并不充分，風險也更大，是否能達到商業聚變的目標尚有許多不確定性。STEP項目采用這一技術路線，也符合英國在球形托卡馬克研究上的堅實研究基礎。全球第一個球形托卡馬克裝置START(Small Tight Aspect Ratio Tokamak，小緊環徑比托卡馬克)就是1990年在英國建成的，并首次驗證了該位形的高磁壓比等優良特性。目前全球兩個最大的球形托卡馬克之一的兆安培球形托卡馬克(MAST，見圖一)，就在英國的卡拉姆(Culham)聚變能源中心，另外一個是美國普林斯頓等離子體物理實驗室的國家球環實驗(NSTX)。此外，英國的聚變私營企業托卡馬克能源(Tokamak Energy)公司的方案也是基于球形托卡馬克，并建造有ST40裝置(圖二)，該公司核心人員也是來自卡拉姆的團隊。

　　受英國脫歐的影響，近年英國聚變研究經費一直不穩定。STEP項目的出現比較特殊，可謂是7月底上任的新首相鮑里斯•約翰遜在8月份參觀卡拉姆聚變能源中心后一力促成。英國政府的大力支持，甚至導致在10月初政府宣布2.2億英鎊的(注意，《自然》雜志上提到的是2億英鎊，略有不同)預研經費時，STEP項目尚無方案細節。由于該項目依然由卡拉姆聚變能源中心作為負責機構，猜測該方案會以其原有的START、MAST兩個裝置作為基礎進行設計，以使得裝置性能參數從原來的實驗裝置再大幅提升到能作為能源產生的裝置。

　　目前，由于科學家的推動、公眾的期待、政治家和商業投資人的支持等多方面因素，全球聚變能源進入新一輪研究熱潮。事實上，此次英國政府宣布“擬建全球首個商用聚變發電廠”，也不是第一個這樣宣稱的。除了國際熱核聚變堆ITER項目外，中國也在推出自身更進一步的聚變路線，并已經在預研中國聚變工程試驗堆CFETR(圖三)。CFETR采取I期工程驗證，II期示范驗證，最終建造聚變電站的三步走路線，是全世界第一個有完整細節的定位超過ITER項目的聚變研究計劃。除此之外，全球范圍內有越來越多聚變私營企業入局，都從不同的角度宣布了自己的路線圖，比如較大的有美國的TAE技術(TAE Technologies，原名“三阿爾法能源”)公司、聯邦聚變系統(Commonwealth Fusion Systems)、洛克希德馬丁公司，加拿大的通用聚變(General Fusion)公司，英國的曙光聚變(First Light Fusion)公司及前文提及的托卡馬克能源公司等等。另外值得一提的是中國的新奧集團于2018年對外宣布將開展緊湊型聚變研究，目標是力爭在未來三十年內實現聚變能源商業化。這是國內第一家研究聚變能源的私營企業。新奧于今年(2019年)8月建成并放電了“玄龍-50”(http://www.sohu.com/a/334060271_732128)，這也是一座球形托卡馬克裝置。中國另一個在運行的較小的球形托卡馬克是2002年在清華大學工程物理系建成的SUNIST“中國聯合球形托卡馬克”。

　　聚變反應作為能源的概念可行性在上世紀三十年代就已經比較明確，人類現在使用的化石能源、太陽能、水能、風能等絕大部分的能源，本質上都是來自太陽作為恒星的聚變能。人類已經在上世紀五十年代實現基于核聚變的武器氫彈，它是一種不可控的巨大能量釋放裝置。人類近六十多年來一直期望能實現一種可控的、經濟的、源源不斷放出聚變能量的能源裝置。這需要采取三步走的路線，第一步實現科學可行性，即建造的裝置聚變產生的能量要大于維持裝置運行所輸入的能量;第二步是驗證工程可行性，即建造的裝置在持續放能過程中能穩定運行;第三步是實現商業可行性，即聚變發電的成本足夠低，具有足夠的經濟性。上世紀九十年代末，美國的TFTR、英國的JET和日本的JT60，三個托卡馬克均接近了聚變科學可行性的臨界值Q=聚變輸出能量/輸入能量≈1，放出的能量功率超過10兆瓦，一般認為已經驗證了科學可行性。正在法國建造，耗資預計超過1000億人民幣，預計2025年放電的目前全世界最大的聚變裝置“國際熱核聚變堆ITER”將進一步大幅提高聚變溫度、密度和約束時間等參數，對聚變能源的工程可行性的部分目標進行驗證。

　　人類在地球上試驗過的聚變方案已經有幾十種，大部分都達不到科學可行性，這也是許多人提出的加速器對撞方案或者地下車庫做的靜電約束方案并不引起主流聚變科學家特別關注的原因。托卡馬克是目前潛在作為聚變能源的裝置中性能表現最好的方案。在商業化的道路上，托卡馬克方案最大的挑戰并不在于等離子體約束性能的提升，而是來自于氘氚聚變。氘氚聚變是最容易發生的聚變反應，反應截面大，需要的溫度也低，只需要一億度左右，但有兩個大問題：一，會產生14兆電子伏特的高能中子，目前沒有任何材料能夠防護，這導致聚變裝置不可能小;二，氚的半衰期只12年，大自然沒有天然的氚，需要額外的辦法去增殖。CFETR會采取厚度超過1米的包層來防護高能中子及進行氚增殖。無中子的先進聚變反應也是聚變科學家在持續研究的方向。比如氫硼聚變就有原材料豐富、無中子等優點。當然，缺點是難度比氘氚聚變大許多，比如溫度需要二十億度以上。這些挑戰是包括STEP在內的所有商業聚變裝置所需要應對的。

　　相較于目前已經實用的核裂變能源，核聚變能源的優點在于原料豐富、無核泄漏風險。因為它需要極高的溫度，一旦裝置發生泄漏，溫度會降下來，反應自動停止。它可以說能夠終極解決人類的能源問題、環境問題，甚至人類的和平問題。部分人擔心聚變實現后，放出的能量過大，地球會因為熱島效應而崩潰。這個擔心是多余的，因為人類消耗的能量能比太陽照射到地球上的能量相當后，早就能實現星際旅行，移民到其他星球。可控核聚變能源是人類星辰大海的夢想的重要保障，這也是幾代科學家們研究了幾十年依然要研究下去直到實現的源動力。

　　為了人類這個偉大的夢想，科學家、公眾、政治家、企業家等各行各業的人的支持是必不可少的。與美國政府對聚變研究的態度的反反復復相反，英國政府此次對聚變的超預期支持有更多正面啟示。聚變研究對中國的意義也非常巨大，除了因為中國能源短缺外，還因為一旦可控核聚變發電在中國首先成功，中國將無可置疑的重新成為了人類文明發展的領導者。中國于2006年加入ITER項目后這十幾年在聚變研究方面進步極快，已經從跟跑實現了并跑和部分領跑，國內聚變行業的領導者非常有信心在未來實現全面領跑。聚變的研發也有許多“副產品”，它帶動了許多產業的發展，比如機械精密加工、超導磁體，甚至國防。

　　從5年的預研經費投資2億英鎊來看，STEP裝置預期總投資會比國際合作的ITER項目和中國的CFETR項目少，不算多也不算少。ITER項目及CFETR項目，投資均在1000億人民幣級別。目前最大的聚變私營企業TAE技術近十幾年總共從風險投資獲得的經費接近50億人民幣。相較于聚變能源的巨大前景，這些投資并不算大。對于“聚變能源實現還有三十年，并且永遠是三十年”這一調侃，有觀點認為，“聚變能源在人類真正需要它的時候就能實現”。

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