英国球形托卡马克的目标是在2040年启动时产生50兆瓦的核聚变能量。图片来源：英国原子能管理局

12月2日，英国政府邀请全国各地的社区自愿为核聚变反应堆原型选址，这将是第一个将电力投入电网的反应堆。

这个名为“能源生产球形托卡马克”（STEP）的项目于去年启动，最初5年投入2.22亿英镑用于设计开发。负责监督这项工作的英国原子能管理局（UKAEA）表示，STEP最早可能在2032年开始建设，2040年开始运营。

“任何新设备都受到欢迎，因为它带来了新的见解。” 欧盟核聚变项目EUROfusion负责人Tony Donné表示。他怀疑STEP不太可能被视为一个发电机。“我的印象是，它将更像是一个组件测试设施。”

建造第一座能够产生过剩能量的核聚变反应堆的竞赛正在世界各地展开。与核裂变驱动的核反应堆相比，核聚变燃料来源相对充足、辐射更轻微。

但作为一种实用的能源，核聚变仍然是一个遥远的梦想，它需要数亿度的温度。

为了防止热等离子体接触并熔化容器，工程师通常在环形托卡马克周围使用强大的磁铁。但是没有一个托卡马克从核聚变中产生的能量超过加热等离子体的能量。

法国的ITER将于2025年完工，它将是第一个展示能量增益的装置——这要到2035年之后才能实现。即便到了那时，核聚变能量也不会用于发电。

球形的STEP看起来更像一个带核的苹果，而不是甜甜圈。这使得等离子体更加稳定，因此操作人员可以在更小的设备中获得更高温度。

球形托卡马克由隶属于UKAEA的卡勒姆核聚变能源中心（CCFE）率先推出—— 一种名为兆安球形托卡马克（MAST）升级版的装置。英国现在希望利用这一经验开发STEP，目标是产生50兆瓦的电力。

“STEP是MAST升级后的合理步骤。” Donné说。

CCFE主任Ian Chapman说，小尺寸是球形托卡马克的一个关键优势，因为250亿美元的ITER最大的成本是其巨大的磁铁。

Chapman说，由于投资成本低至数十亿美元，因此，如果核聚变能电站与化石或可再生能源电站竞争，那么STEP的成本将远低于ITER的成本。

但Donné指出，球形托卡马克也有缺点。在较小的器件中，热的致密等离子体对材料的要求更高，因此可能需要更频繁地更换元件。

此外，STEP也不太可能生产出氚（作为反应堆燃料的两种氢同位素之一）。氚具有放射性，半衰期为12年，全球供应量很少。一个工作中的反应堆不得不通过在容器周围添加锂块产生氚，当核聚变反应产生的中子轰击时，锂便会产生氚。ITER将是首个展示氚产生的尝试。Donné说，“STEP无法在如此短的时间内实现氚的生成”。

Donné还怀疑，推动这一步骤有政治因素。CCFE也是欧洲联合环状反应堆（JET）——目前世界最大托卡马克的所在地，而JET的工作寿命即将结束。如果英国不与欧盟签署贸易协议，那么其作为ITER项目伙伴的未来也存在疑问。

此外，CCFE还有竞争对手紧盯着它。英国初创企业Tokamak Energy公司正试图在2030年前建造一个紧凑的球形托卡马克用于能源生产。美国初创企业 Commonwealth Fusion Systems公司计划在2025年前开始建造一个类似的可运行的反应堆。

不过，这对于那些想成为STEP所在地的社区来说并不重要，他们会把这看作是一种为所在地区吸引资金和工作的方式。他们必须在2021年3月前提出申请，并需要提供100公顷的土地，这些土地将经过地质适宜性、准入和其他标准的审查。UKAEA计划在2022年底选择一个地点。