英国托卡马克能源有限公司（Tokamak Energy Ltd）近期在Physics of Plasmas期刊上发表一篇文章，旨在说明带有高温超导（HTS）磁体的球形托卡马克（ST）装置可以为开发商业核聚变能提供最快捷、风险最低的途径，而利用政府和社会资本可能会大大推进这一进程。
目前，Tokamak Energy公司的ST40紧凑型高磁场ST已经成功创造商业化聚变公司三乘积的世界纪录（nTτE∼ 1019keVs/m3），将等离子体温度加热超过1亿度（高于8keV），高温超导磁体（HTS）达到24T以上，并被美国能源部选中参与其里程碑计划，同时也已做好充分准备参与英国政府的球形托卡马克能源生产计划（STEP）。
球形托卡马克是实现聚变发电的有效方法
要实现实用的聚变能源，托卡马克必须能够长时间保持稳定的等离子体，同时还能承受聚变反应产生的高温和辐射，其尺寸较大且建设周期相对较长。相较而言，球形托卡马克则具有更紧凑的尺寸和更好的等离子体稳定性的特点。
图1: ST40 概览
ST40的建设周期和实验成果已经证实了ST方案在技术及经济上的可行性。ST40已经证明环向磁场 (Bt)显著增加，这将增加ST的能量约束时间和性能，而高温超导磁体（HTS）技术的进步使得在球形托卡马克上实现高Bt成为可能。在 STs 中已经实现的高 β（等离子体压力与磁压力之比）与HTS环向磁场磁体能够产生的高环向磁场(Bt)的结合，为小体积聚变反应堆开辟了一条道路，因为聚变功率与β2Bt4 V成正比。在中等尺寸的球形托卡马克MAST和NSTX上进行的实验证实，与传统的环径比托卡马克相比，ST中的等离子体约束时间对 Bt 的依赖性要强得多。在欧姆加热放电Bt > 1T中，ST40的性能得到了改善；在中性束加热的热离子模式放电中，离子温度接近10keV。此外我们还知道，在ST中等离子体电流（自举电流）的比例可以非常高，接近 100%（自举电流是高压强梯度形成的自驱动电流，在ST中更容易实现）。这一点非常重要，因为它大大降低了对外部电流驱动的需求，而外部电流驱动既昂贵又低效且能耗高。所有这些成果都证实了球形托卡马克是实现聚变发电的一种很有前途的方法。总之，球形托卡马克核聚变发电技术为人类未来提供安全、清洁和几乎无限的无碳能源带来了巨大的希望。
商业化聚变公司为聚变能的发展做出贡献
在过去几年中，社会资本资助的商业化聚变公司为聚变能的发展做出了决定性的贡献。2014年12月，Clery 在《欧洲聚变新闻》（EuroFusion News）上发表了一篇题为 “聚变研究是否缺乏多样性？” 的文章，他提出：“商业化聚变公司的活力和主动性给聚变领域注入了一剂强心针，但要想让它们向可行性迈出下一步，就需要更多资金的支持。”- 商业化聚变公司为聚变技术的发展带来新的想法和方法，帮助克服曾经在经济和技术发展方面的障碍。
- 商业化聚变公司可以与学术和政府研究机构合作，利用它们的专业知识和资源。这种合作关系有助于加快研发步伐，促进知识交流。
- 商业化聚变公司可以通过投资核聚变技术的开发，投资核聚变发电厂的建设，以及开发和销售核聚变发电厂所需的技术，来帮助加速核聚变技术的商业化。
- 商业化聚变公司可以采取市场驱动的方式开发聚变能，通过关注能源市场和能源用户的需求，确保技术开发的效益和效率。
总体而言，商业化聚变公司有潜力加快聚变能的发展。它们在投资、创新研发和以市场为导向上的方法有助于更快、更高效的实现这一技术。
高温超导磁体推动商业核聚变发展
高温超导（HTS）有可能极大地推动商业核聚变能的发展。商业化聚变公司如托卡马克能源公司（Tokamak Energy）和联邦核聚变系统公司（Commonwealth Fusion Systems）都把重点放在高温超导磁体上，因为高温超导材料具有在20−30K温度和20T或更大磁场中承载极高电流密度的显著特性。
超导磁体是托卡马克的重要组成部分，因为它们能产生约束等离子体所需的磁场，除了保持磁体低温外，磁体中的功率不会耗散。与传统的低温超导体相比，HTS材料经证实具有产生更强磁场的潜力。事实上，HTS磁体可以实现的的磁场强度大约是传统低温超导体的两倍，而且可以在更少空间的紧凑型系统中实现。这使得开发更紧凑、更高效的托卡马克成为可能。
由于HTS超导体的工作温度远高于传统的低温超导体，最高可达93K（但最佳温度为 20−30K），而不是LTS（低温超导体）所需的4K，因此冷却的能源成本将大大降低。此外，位于ST中心柱的HTS磁体不需要像LTS磁体那样完全避免与中子通量相关的热负荷。可以在20-30K的温度下处理kW级热负荷，这意味着与LTS磁体相比，中子和伽马屏蔽层的厚度可以大大减小，这对缩小ST的尺寸有着重要作用，这将极大降低ST聚变反应堆的建造和运行成本。
总体而言，高温超导体有望显著提高托卡马克聚变反应堆的性能并降低其成本，这将有助于加快商业聚变能的发展。
球形托卡马克的性能优势
图2: 托卡马克、仿星器、其他磁约束核聚变装置和惯性约束核聚变装置的三乘积与等离子体温度的关系有许多等离子物理装置可以作为聚变反应堆的候选装置。最成熟的是传统托卡马克，但它在效率（低比压）和工程挑战方面存在已知的限制。ST40计划以最廉价、最快捷的方式实现∼10keV等离子体温度，以及1019keVsm−3 范围内的密度、温度和能量约束时间三乘积。如果使用DT，根据参考文献和图2，将满足或接近点火判据。图2显示了ST40的性能点，图中绘制了托卡马克、仿星器、其他磁约束核聚变装置和惯性约束核聚变装置的三乘积与等离子体温度的对比图。与许多大型装置相比，ST40具有更高的等离子体温度和类似的三乘积，其性能远高于其他商业化聚变公司设计、资助和建造的装置。
图3: 主要聚变反应截面与离子温度（或非麦克斯韦温度分布的碰撞能量）的关系。ST40和其他ST的运行区域用方框表示聚变反应的截面与温度的关系非常密切。图3显示了所有主要聚变反应截面与离子温度的关系。图中显示了ST40的运行空间（红框）与其他ST的运行空间（下蓝框）的对比。虽然 ST40的运行没有氚燃料，但高温会促进产生氚的二次D-D反应 (1)，在∼10keV温度下，D-T反应的截面高到足以促进核聚变的产生（上蓝框），
D + T ⇒ α(3.5MeV) + n(14.1MeV)
D + D(50%) ⇒ 3He(0.82MeV) + n(2.45MeV)
D + D(50%) ⇒ T(1.01MeV) + p(3.02MeV)
政府和商业化聚变公司共同促进聚变能发展
由于商业化聚变公司的创新技术与政府实验室的研究在多个方面存在差异，因此目前认为发展聚变能的最佳途径是通过某种形式的双方合作，即将商业化聚变公司与政府的最佳属性结合起来。1.商业化聚变公司创新的主要目标通常是创造新的产品、服务或知识产权，以便在市场上销售和创收。2.商业化聚变公司通常依靠投资者和客户提供的资金来支持其创新工作。它们还可能获得政府拨款或贷款。3.商业化聚变公司往往更加灵活，行动更快。它们可以迅速做出决策和调整，以利用新出现的技术和市场机遇。4.商业化聚变公司有强烈的动机保护其知识产权，并可能持有专利或商业秘密以保持竞争优势。5.商业化聚变公司可与其他公司、大学或研究机构合作，开发新技术并将其推向市场。1.政府实验室的研究通常侧重于推动科学知识的发展，从而带来更广泛的社会效益，并创造、发展和维持专业知识。2.政府实验室通常由纳税人提供资金，可能拥有更稳定、更长期的资金来源。3.政府实验室可能需要较长的审批流程，这可能会拖慢研发速度。4.政府实验室可能会优先考虑与科学界分享其研究成果，并向公众提供这些成果，因此出版物的数量往往非常重要。5.政府实验室也可以与其他组织合作，但可能会优先考虑与其使命和目标相一致的组织合作。总体而言，商业化聚变公司和政府实验室在推进科学知识和开发新技术方面发挥着不同但互补的作用。商业化聚变公司注重市场化和盈利能力，而政府实验室则肩负着应对社会挑战和推动科学知识发展的更广泛使命。英国政商合作：英国政府通过研发计划、政商合作和国际合作相结合的方式，支持商业核聚变能的开发
在英国，球形托卡马克能源生产计划（STEP）是一种政商合作形式，政府是客户，球形托卡马克是选定的等离子体约束装置，高温超导体是选定的磁体材料。因此，该项目与商业化聚变公司，特别是托卡马克能源公司开发的技术密切相关。政府对球形托卡马克设计的重视和STEP计划的设立，表明了其在这一创新技术基础上开发商业核聚变发电厂的决心。
美国政商合作：美国能源部的“里程碑驱动聚变能发展计划”是一种不同形式的政商合作。
该计划由政府作为联合创始人，但将装置的选择权留给商业化聚变公司。这项计划尤其令人兴奋，因为它仿效了美国国家航空航天局（NASA）近20年前为推出新一代太空发射器而实施的COTS计划。COTS计划取得了巨大成功，因为它直接支持了Space-X，刺激了私人投资和竞争，让每公斤有效载荷的航天发射成本降低了100倍。目前，能源部的里程碑计划已经选择了包括托卡马克能源公司在内的八家公司，进行为期18 个月的首批项目。总的来说，能源部通过基础研究、政商合作以及对商业化聚变公司和企业家的支持来支持商业聚变能的发展。几年来，美国政府一直在资助ST40方面的合作，该合作通过PPPL科学家参与ST40实验、协助诊断和数据分析来实现。政府实验室利用ST40的实验结果，产生了若干联合出版物和国际会议上的报告，而托卡马克能源公司则能够利用数据分析的结果来推动和优化ST40的运行。Tokamak Energy表示：我们很高兴能扩展现有与政府及社会资本合作的项目，并就ST40及以后的合作项目讨论更长远的方案。https://pubs.aip.org/aip/pop/article/31/4/042507/3283004/The-spherical-tokamak-path-to-fusion-power
