球型托卡馬克的春天

02-08

「If we make exciting progress relatively quickly, with relatively modest funding then we』ll get to a Wright brothers』 moment in fusion and suddenly people will realise it is going to be possible, That will unlock lots of investment around the world to solve some of the big challenges.」

Dr David Kingham

CEO of Tokamak Energy Company

----------題記

關於托卡馬克及其運行

我們知道，磁約束核聚變就是利用磁場約束聚變燃料，即等離子體（主要是氘氚），使之在超高溫（幾千萬攝氏度甚至過億度）下發生聚變反應；與此同時必須保持遠離真空室（反應腔體）壁。目前這方面的主流研究圍繞在「托卡馬克」裝置展開。

托卡馬克（Tokamak）裝置是俄羅斯最初做出的設計，經過幾十年的發展，目前主要運行思路大概情況是：

位於真空室徑向芯部的歐姆線圈（中心螺線管）在勵磁完成後反向運行擊穿氘氚氣體產生等離子體；
真空室外圍的極向場線圈（俗稱大線圈）控制等離子體的慢速變化；
而真空室內的快控線圈則對等離子體在拉長過程（理論和實驗研究表明對徑向已經穩定的等離子體實施拉長動作可以提高等離子體反應參數）中產生的快速垂直不穩定性做出快速響應。
在等離子體可控狀態下，通過各種輔助加熱手段，比如電子迴旋、微波加熱和目前最先進的中性束注入，對等離子體進行加熱，使之達到數千萬度超高溫，基於此發生聚變反應。

托卡馬克主機結構示意圖

典型托卡馬克等離子體運行圖（1MA）

註：主要關注Plasma Current運行時間

Tokamak Energy Company的誕生

在托卡馬克的工程設計以及建造中，超導線圈是實現擊穿等離子體和高效等離子體控制的關鍵技術，而建造成本則是民間資本導入聚變領域的壁壘。

基於此，Dr David Kingham和Dr Mikhail Gryaznevich共同創立了Tokamak Energy，前者是理論物理學博士，後者作為首席科學家則是著名的緊湊型托卡馬克專家。公司的主要員工來自於位於牛津附近的卡勒姆核聚變國家實驗室和ITER，而卡勒姆則託管著歐洲目前最大的托卡馬克實驗裝置「歐洲聯合環（JET）」。因此Tokamak Energy公司毋庸置疑是有相當的技術實力的。比如Dr Valery Chuyanov, ITER的前任執行副總幹事，Dr Alan Costley，ITER診斷系統主管，等等。

Tokamak Energy主要技術人員全家福

Tokamak Energy Company的聚變構想

目前主流的托卡馬克尺寸都比較大，比如國家實驗室級別的大型托卡馬克裝置（中國的HT系列，包括EAST，HL系列，日本的JT，美國的DIII-D），而基於多國合作的「ITER」則更大。Tokamak Energy在財力人力上無法與之相比，因此其聚變實現手段是緊湊型托卡馬克裝置，主要目標技術則是將超導技術與緊湊的球型托卡馬克技術融合。這個理念與MIT等離子體科學與聚變中心主任Dennis Whyte教授於2015年公布的ARC（三個字母分別代表負擔得起、可靠、緊湊）裝置不謀而合，ARC裝置也使用高溫超導磁體，是個模塊式、球形托克馬克聚變堆。

球形托克馬克裝置設計是上個世紀90年代由卡勒姆聚變能源中心開發設計的，美國的橡樹嶺等著名實驗室也有大量研究。而Tokamak Energy技術主任AlanSykes正是是這個項目背後的推手。

球馬克裝置能更高效地利用磁場，中心磁場最強，「固有地」緊湊（在體積上一般來說僅僅只有ITER或者JET的1-10%大小）。從歷史的觀點說，這種優勢也有局限性：機器的中心沒有空間，磁性和相關的防護屏蔽和溫度控制沒有多大的餘地。但現在，「高溫」超導技術快速進展，可能在溫度大大高於絕對零度和強磁場內實現零電阻大電流，減少了冷卻和與高能中子相關的防護問題。高溫超導方面，最近的研究集中於稀土鋇銅氧化物（REBCO）——第二代高溫超導材料。比如英國杜倫大學和卡勒姆聚變能源中心團隊的相關研究給聚變經濟帶來了一線曙光。

ITER主機系統工程設計模型

JET（與ITER尺寸大小類似）真空室裝置實體圖

小型球馬克總體裝置圖

Tokamak Energy的ST系列球馬克主機圖

講到這裡我們便不難理解題記下Dr David Kingham的那段話，通過降低聚變裝置建造成本以期達到降低民間力量導入托卡馬克領域的資本壁壘。畢竟，到目前為止，大型托卡馬克實際上是被動「拒絕市場」的。Dr.Robert L. Hirsch在2016年初的Power雜誌上撰文指出：幾十年前的的ITER初始堆芯設計與PWR（壓水反應堆）比較表明，這個托克馬克裝置大致昂貴60多倍，顯然完全超出了商業可行的範圍。而經濟利益則是驅動資本市場的無形之手。

TokamakEnergy的計劃是把聚變能源的技術理論研究轉變為一系列可達的工程挑戰，旨在５年之內實現聚變功率增益，１０年之內首次發電，１５年之內建成１０萬千瓦的電廠，併網發電。截止目前為止Tokamak Energy已經取得了如下進展：

首次證實了高溫超導（HTS）磁體在托卡馬克上面應用的可行性
募集了私有投資1500萬美元，國家項目基金80萬美元
建成並且運行ST25 1.0，其等離子體運行時間達到20秒
建成世界上首台高溫超導磁體球馬克ST25 1.2 HTS，
ST25 1.2 HTS在Royal Society Summer Science Exhibition 2015上實現等離子體持續運行29小時

困難需要時間克服，並且任重而道遠，但是畢竟Tokamak Energy公司的目標是清晰可見的，其發展思路值得我們去思考。

參考資料與注釋：

1. Tokamak Energy：托卡馬克能源公司，英國聚變發電創業公司，人員多來自英國卡勒姆實驗室。目標是藉助球形托克馬克和高溫超導兩個新興技術相結合，加快發展聚變能源。

2. Culham Centre for Fusion Energy：卡勒姆聚變能源中心 (CCFE)，英國原子能管理局擁有和管轄的國家聚變研究實驗室；JET：歐洲聯合核聚變實驗裝置，英國卡勒姆中心代管。

3. A.E. Costley, J. Hugill and P.F. Buxton，On the power and size of tokamak fusion pilot plants and reactors，Nucl. Fusion 55 (2015)

4 C. G. Windsor, J. G. Morgan, P. F. Buxton, Heat deposition into superconducting central column of a spherical tokamak fusion plant, Nuclear Fusion, Feb 2015

5. T.S. Lee, I. Jenkins, E. Surrey, D.P. Hampshire，Optimal design of a toroidal field magnet system and cost of electricity implications for a tokamak using high temperature superconductors，Fusion Engineering and Design，Volumes 98–99, October 2015, P. 1072–1075

6. David Chandler, A small, modular, efficient fusion plant, MIT - Massachusetts Institute of Technology, Aug. 10, 2015