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2024年10月18日，我们报道了英国核聚变能源公司Tokamak Energy首次公布了其高场球形托卡马克电厂的设计细节。这一突破性的进展标志着该公司在实现商业聚变能源的道路上迈出了重要一步。该电厂设计旨在产生800兆瓦的聚变功率和85兆瓦的净电力，是实现美国商业聚变能源十年宏伟愿景计划的关键组成部分。今天我们来详细了解这家企业。
一、公司背景
Tokamak Energy成立于2009年，是英国原子能管理局（UKAEA）的衍生公司。该公司的美国子公司Tokamak Energy Inc于2019年成立。据其官网介绍，Tokamak Energy是唯一一家拥有超过十年经验的私人聚变公司，致力于开发两种技术，这两种技术提供了最有效率和商业吸引力的聚变能源路径：紧凑型球形托卡马克和高温超导（HTS）磁体。
我们之前的文章报道过TE Magnetics是Tokamak Energy专门负责HTS磁体业务的部门。该部门与关键制造合作伙伴合作，专注于成为聚变及其他激动人心的新应用领域，包括科学、可再生能源以及水、空气和太空推进技术的HTS技术的主要供应商。
Tokamak Energy是从卡勒姆实验室（Culham Laboratory）走出来，卡勒姆实验室是世界领先的磁约束核聚变能源研发中心，世界上最强大的磁约束核聚变装置JET就位于该实验室，JET在1997年产生了16兆瓦的能量输出。托克马克能源公司的研发主要集中在球形托克马克装置，卡勒姆实验室在该领域处于领先地位，这种紧凑的核聚变装置能够在同等磁场强度下实现比传统托克马克装置更高的等离子体压力。公司专注于开发和商业化可控核聚变技术，旨在利用高温超导（HTS）磁体的球形托卡马克装置开发商业核聚变能。
Tokamak Energy拥有超过250名员工，他们具备世界级的科学、工程和商业专业知识。该公司拥有77个系列的专利申请，并已筹集了2.5亿美元资金；其中20亿美元来自私人投资者，5000万美元来自英国和美国政府。
二、技术介绍
在两项变革性技术方面处于世界领先地位：紧凑型球形托卡马克和高温超导（HTS）磁体。高温超导技术不仅开启了商业聚变的道路，而且在其他行业也有广泛的潜在应用，包括医疗，科学，可再生能源和水，空气和太空的推进。
球形托卡马克：托卡马克是研究得最多、理解得最透彻的聚变能源之路。托卡马克是一种利用磁场约束和控制等离子体的装置。早在20世纪60年代，科学家们就首次意识到托卡马克实现聚变条件的潜力。然后在20世纪80年代，Tokamak Energy的创始人之一艾伦·赛克斯的一项研究表明，修改托卡马克的形状将显著提高性能。
紧凑的球形托卡马克，它具有更压缩的球形形状，被发现在效率，等离子体稳定性和成本效益方面提供关键优势。它现在是世界各地聚变能源计划的基础，包括英国政府的球形托卡马克能源生产（STEP）项目。Tokamak Energy公司是唯一一家拥有十多年开发和运营托卡马克经验的私营公司。
Tokamak Energy还展示了所有私人聚变公司中最高的“三乘积”；这是一个衡量等离子体温度、密度和约束时间的指标，也是实现商业聚变条件的关键进展度量。这些成就支持球形托卡马克作为实现清洁、经济且全球可部署的聚变能源的最佳途径。
ST80-HTS原型聚变装置计划：Tokamak Energy计划在2026年完成建造ST80-HTS原型聚变装置，这将是世界上第一个大规模使用高温超导磁体的高场球形托卡马克。ST80-HTS旨在展示交付商业聚变能源所需的多种先进技术，并为ST-E1聚变试验工厂的设计提供信息
用于聚变的高温超导磁体：托卡马克利用强磁场来控制等离子体的形状和位置，将其捕获足够长的时间以进行聚变。
高温超导（HTS）磁体在比传统超导体更高的温度下产生这些磁场，使其能效提高五倍以上。将球形托卡马克的效率提高与高场高温超导磁体的磁约束改善相结合，提供了最可行和最具成本效益的聚变能源途径。
Tokamak Energy是高温超导技术的世界领导者。Tokamak Energy的聚变磁体线圈由HTS带缠绕而成，HTS带是多层导体，通常宽12毫米，厚不到0.1毫米，主要由坚固的导电金属制成，但具有“稀土钡铜氧化物”（REBCO）超导材料的关键薄内部涂层。我们先进的绕线、测试和生产技术是制造坚固可靠的高温超导磁体的关键。
Demo 4：Tokamak Energy的Demo4磁体系统目前正在一个专门建造的测试设施中建设，这是他们通往聚变能源之路上的下一个关键步骤。
Demo4被设计为一组完整的高温超导（HTS）磁体，配置在托卡马克中，这将使他们首次能够在与聚变电厂相关的情境下测试这些磁体。
该系统由44个独立的HTS线圈组成，组装成14个环形场线圈和两个多极场线圈，形成一个笼状结构。系统将在20开尔文（-250°C）的真空中运行，并且将拥有比地球磁场强近百万倍的磁场强度。
三、企业价值观：
Tokamak Energy的价值观构成了公司文化的核心，并且是通过与员工协商确定的，以确保这些价值观能够反映公司在实现其使命时最为重要的元素。以下是Tokamak Energy的价值观描述：
安全性（Safety）：Tokamak Energy将安全性放在首位，确保所有操作和决策都以保障员工和环境的安全为基础。 敏捷性（Agility）：公司注重敏捷性，能够快速适应变化，迅速响应新情况，保持灵活性和效率。 协作（Collaboration）：Tokamak Energy视自己为团队合作者，强调团队精神和跨部门合作，以实现共同目标。 创造力（Creativity）：公司鼓励好奇心和勇气，支持创新思维和勇于尝试新方法，以推动技术进步和解决问题。 尊重（Respect）：Tokamak Energy倡导开放和坦诚的沟通，尊重每个员工的贡献，并在公司内部营造一个包容和尊重的工作环境。
这些价值观指导着Tokamak Energy的工作方式、决策过程以及公司如何与员工、利益相关者和更广泛的社区互动。通过这些价值观，Tokamak Energy旨在建立一个安全、高效、创新和尊重的工作环境，以支持其在聚变能源领域的使命和目标。
四、商业聚变路线图
Tokamak Energy正致力于在2030年代实现聚变能源的交付。
该公司已经完成了其下一个先进原型聚变装置的设计工作，该装置有潜力降低风险并加速开发可持续聚变能源所需的多项技术。这个装置计划在2020年代末完成建造，并将展示聚变能源所需的多项先进技术，同时为聚变试验工厂的设计提供信息。
Tokamak Energy的聚变试验工厂将在2030年代展示向电网输送电力的能力，为全球可部署的500兆瓦商业电厂铺平道路。
里程碑
2015年：成功运行了第一个高温超导（HTS）托卡马克（ST25 HTS），持续脉冲超过24小时。 2017年：设计、建造并运行了世界上磁场强度最高的球形托卡马克（ST40）。 2019年：利用专利的HTS磁体技术，在20K下达到了世界纪录的24特斯拉磁场强度。 2021年：开发了坚固、可扩展且具有内置熄灭保护的HTS磁体技术，精确验证了模拟结果。 2022年：成为首家在托卡马克中实现1亿摄氏度等离子体离子温度的私营聚变公司，达到了商业聚变所需的阈值;实现了私营聚变公司中最高的等离子体“三乘积”，这是衡量等离子体温度、密度和约束时间的关键指标。 2023年：制造了世界上首套新一代HTS磁体，将在聚变电厂相关场景中进行组装和测试。
五、合作方
Tokamak Energy认为合作和伙伴关系对于实现其使命至关重要。该公司已经建立了一个强大的政府、商业、科学和学术合作伙伴网络，这显著增强了其将聚变能源商业化的能力。
普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）
拥有NSTX(-U)球形托卡马克，Tokamak Energy与PPPL共同关注球形托卡马克等离子体的研究。通过合作研究与发展协议，PPPL的物理学家对ST40的操作做出了贡献。此外，Tokamak Energy还通过INFUSE项目与PPPL合作，共同研究刮削层物理和微观不稳定性分析。
橡树岭国家实验室（ORNL）
Tokamak Energy与ORNL的物理学家在ST40等离子体操作方面进行了合作。此外，通过INFUSE项目，双方还合作开发聚变技术：氚兼容的颗粒注入器、非感应等离子体电流上升和维持、具有气体转换的RAFM钢，以及与锂兼容的结构材料和涂层。
桑迪亚国家实验室（SNL）
Tokamak Energy正在与SNL的科学家合作，在SNL的伽马辐射设施中对HTS带材在接近运行条件下进行原位测试，以测试HTS磁体在光子辐射下的耐久性和性能。这使得公司能够在向商业聚变扩展运营规模时，测试HTS磁体在暴露于伽马辐射下的性能和耐用性。
洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）
Tokamak Energy与洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）共同赢得了美国能源部INFUSE项目资助，以生产使用新颖且可扩展的粉末冶金工艺的先进金属氢化物中子屏蔽材料。所生产的样品正被用于与其他合作伙伴一起揭示这些材料特性的新见解。
东京大学
Tokamak Energy与东京大学在球形托卡马克等离子体物理和磁重联领域有着共同的研究兴趣。他们与东京大学有着长期的合作关系，涉及的研究主题包括合并压缩、与磁重联相关的离子加热、先进的诊断技术，以及对未来设备射频加热和电流驱动的高保真建模。
古河电工集团（Furukawa Electric Group）
Tokamak Energy与全球领先的供应商古河电工集团达成了合作伙伴协议，以提供专业的高温超导（HTS）带材。与主要的全球公司建立这样的关系，显著增强了公司将聚变能源商业化的能力。
通用原子公司（GENERAL ATOMICS)
Tokamak Energy与总部位于美国的通用原子公司（GA）签署了谅解备忘录，以在高温超导（HTS）技术领域进行合作，这些技术将应用于聚变能源和其他工业应用。合作利用了GA在制造大规模磁体系统方面的世界领先能力，以及Tokamak Energy在HTS磁体技术方面的开创性专业知识。
住友商事(Sumitomo Corporation)
Tokamak Energy与住友商事达成了一项协议，以促进双方在开发、实施和扩大日本及全球商业聚变能源方面的紧密合作。住友商事将为一系列与Tokamak Energy共同开展的项目提供专业知识和投资，这些项目专注于全球聚变供应链的扩展和工业化。
参考链接：
https://www.ccnta.cn/article/12197.html
https://tokamakenergy.com/
https://www.psfc.mit.edu/events/2021/st40-results-and-future-plans-at-tokamak-energy
