75 年來，令人沮喪的是，建造一座實(shí)用聚變反應(yīng)堆的希望始終遙不可及，而幾十年來，建造一座實(shí)用聚變反應(yīng)堆的希望似乎就在幾十年前。然而，這種反應(yīng)堆技術(shù)的影響及其為人類提供幾乎無限量的廉價(jià)清潔能源的能力是“游戲規(guī)則改變者”，因此科學(xué)家和工程師繼續(xù)追求它。
核聚變的原理比較簡(jiǎn)單。只要將氫原子置于太陽內(nèi)部的熱量和壓力下足夠長(zhǎng)的時(shí)間，讓它們?nèi)诤显谝黄鸩⑿纬筛氐脑?，在這個(gè)過程中它們會(huì)釋放出大量的能量。
不幸的是，這是小提琴的經(jīng)典例子，理論上很容易演奏，但在實(shí)踐中卻非常困難。簡(jiǎn)單來說，讓三個(gè)主要因素（熱量、壓力和時(shí)間）達(dá)到平衡來產(chǎn)生核聚變并不困難。事實(shí)上，在1964 年紐約世界博覽會(huì)期間，舉辦了一次展覽，公眾可以在不到一秒的時(shí)間內(nèi)觀看桌面聚變反應(yīng)堆的實(shí)時(shí)運(yùn)行。從那時(shí)起，最困難的部分是設(shè)計(jì)一個(gè)反應(yīng)堆，它能夠可靠地產(chǎn)生實(shí)際能量，該能量大于啟動(dòng)反應(yīng)所需的能量。
其中最有前途的是托卡馬克反應(yīng)堆，它于20 世紀(jì)50 年代首先由蘇聯(lián)開發(fā)?；驹O(shè)計(jì)是一個(gè)空心環(huán)，周圍有線圈，在內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)。該環(huán)含有引入氫原子的真空。當(dāng)原子加熱到數(shù)百萬度時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)限制和擠壓它們，剝奪它們的電子，并在它們繞環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)將它們變成等離子體。當(dāng)條件合適時(shí)，就會(huì)發(fā)生核聚變。
過去70 年建造的大多數(shù)托卡馬克反應(yīng)堆都是政府資助的研究堆，其重點(diǎn)是更多地了解氫等離子體的行為以及建造實(shí)際反應(yīng)堆時(shí)會(huì)遇到的問題。這意味著這些托卡馬克裝置往往非常龐大且昂貴，并且能夠輸送如此巨大的能量。
天平的另一端是私人資助的反應(yīng)堆，例如托卡馬克能源公司的ST40 球形托卡馬克。雖然政府反應(yīng)堆已經(jīng)達(dá)到1 億攝氏度大關(guān)，但用一個(gè)較小的商業(yè)反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，成本僅為5000 萬英鎊，并得到了外部觀察家的證實(shí)，這是一項(xiàng)相當(dāng)大的成就。
據(jù)該公司稱，ST40的目的是專注于聚變能的商業(yè)應(yīng)用。具體來說，使反應(yīng)堆在經(jīng)濟(jì)上可行。因此，ST40 是球形托卡馬克。
傳統(tǒng)的托卡馬克裝置有一個(gè)大的環(huán)形室，而球形反應(yīng)堆則更加緊湊，并且用在室中心以柱狀形式相遇的磁鐵取代了周圍的所有磁鐵。這使得反應(yīng)堆呈扁圓形，就像蘋果一樣。這使得磁體更接近等離子體流，因此磁體更小并且使用更少的功率但產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)。
此外，ST40采用高溫超導(dǎo)磁體，該磁體由稀土鋇銅氧化物制成，形成厚度小于0.1毫米的窄條。這些“高溫”磁體的工作溫度在負(fù)250C 到負(fù)200C 之間，或者大約是液氮的溫度。這使得維持反應(yīng)堆磁體的溫度比依賴液氦的磁體便宜得多。
這種設(shè)置使反應(yīng)堆更小、更簡(jiǎn)單，并且等離子體在支持聚變反應(yīng)的條件下保持更穩(wěn)定。然而，該反應(yīng)堆的總壓力比傳統(tǒng)的托卡馬克要小，而且中心支柱容易受到等離子體腐蝕，需要定期更換。
該公司目前正在研發(fā)一種更先進(jìn)的反應(yīng)堆ST-HTS，該反應(yīng)堆將在幾年內(nèi)投入運(yùn)行，預(yù)計(jì)將為2030 年代第一個(gè)真正的商業(yè)工廠的設(shè)計(jì)提供信息。
托卡馬克能源公司首席執(zhí)行官克里斯·凱爾薩爾（Chris Kelsall）表示：“我們?yōu)閷?shí)現(xiàn)這一突破感到自豪，這使我們距離為世界提供一種新的、安全的、無碳的能源又近了一步。當(dāng)與磁鐵結(jié)合時(shí)，球形托卡馬克代表了實(shí)現(xiàn)清潔和低成本商業(yè)聚變能源的最佳方式。我們的下一款設(shè)備將首次結(jié)合這兩種世界領(lǐng)先的技術(shù)，并且是我們?cè)诰o湊型融合模塊中提供的。低成本能源是我們使命的核心?！?
