9月1日，首尔大学超导应用研究中心宣布，已与英国原子能管理局（UKAEA）启动第二阶段联合研究，旨在开发英国下一代核聚变发电站STEP的核心部件——高温超导电缆。本文将从装置概况、科研目标、技术特点、核心参数、发展历程等多个维度，全面剖析这一英国当代最伟大的宏伟工程之一。
一、装置概览
STEP，全称Spherical Tokamak for Energy Production（STEP），即“球形托卡马克能源生产”项目。该项目是英国政府主导的全球首个以商业发电为目标的聚变反应堆原型项目，承载着将清洁、无限的聚变能源从实验室推向商业应用的历史使命。
二、研究目标
STEP项目并非简单的科学实验装置，而是一项具有明确产业导向的工程示范项目。其科研目标构建了一个从基础物理到工程应用再到产业孵化的完整体系，旨在攻克聚变能源商业化的三大核心瓶颈：净能量输出、燃料自持和经济可行性。
1.净能量输出的工程验证
STEP的首要科学目标是实现持续的净能量输出，即聚变反应产生的能量超过维持反应所需的输入能量。项目定义的核心指标包括：实现超过100MW的净电力输出，聚变增益因子Q (聚变输出能量与输入能量之比) 稳定大于10，以及单次等离子体放电持续时间达到小时级。这些指标远超当前聚变装置的水平，代表着从 "科学可行性" 向 "工程可行性" 的关键跨越。为实现这一目标，STEP采用了先进的加热与电流驱动系统，计划使用电子回旋共振加热 (ECH) 和电子伯恩斯坦波 (EBW) 的组合方案。这种混合加热系统能够更高效地将能量注入等离子体核心，并实现对等离子体电流分布的精确控制。项目团队正在评估不同约束假设下的运行点，包括低密度高辅助功率和高密度低辅助功率等多种情景，以确定最优的运行空间。
2.氚燃料自给自足
聚变反应的主要燃料是氘和氚，其中氘可从海水中大量提取，而氚在自然界中极为稀少，必须通过人工生产。STEP的关键目标之一是演示氚的自持生产，即通过聚变反应产生的中子与增殖材料（如锂）的相互作用，生产出足够维持反应的氚燃料。这一过程被称为氚增殖比 (TBR)，STEP的设计目标是使TBR达到1.05-1.15，略高于盈亏平衡点。
为实现氚自持，STEP设计了先进的增殖包层系统，这是围绕等离子体真空室的关键结构，同时承担能量提取和氚生产双重功能。UKAEA与捷克Řež研究中心(CVŘ) 的合作项目 Hi-CrIS (高中子注量超导体低温辐照) 正在测试增殖包层材料在聚变环境下的性能。该测试装置将于2026年投入运行，使用CVŘ的LVR-15研究堆对候选材料进行高能中子辐照测试，模拟聚变环境下的材料行为。
3.全生命周期的经济可行性
与国际上其他聚变项目相比，STEP最鲜明的特点是其对经济性的高度重视。项目不仅要证明聚变能源的技术可行性，更要展示其商业潜力。为此，STEP设定了一系列经济性指标，包括：单位千瓦建设成本低于3000英镑，运行维护成本低于每千瓦时5便士，以及通过模块化设计将装置寿命延长至40年以上。为降低成本，STEP采用了多项创新策略：紧凑的球形设计减少了材料用量；高温超导磁体降低了运行能耗；模块化结构便于批量生产和现场组装；创新的远程维护系统减少了停机时间。英国政府委托的经济评估报告预测，到2065年，STEP项目将为英国创造年均15亿英镑的增加值（GVA），并在东米德兰兹地区直接创造9000多个就业岗位。
三、突出特点
STEP的独特之处在于其球形托卡马克设计——这是传统环形托卡马克（比如ITER）的紧凑式升级版本。国际热核聚变实验堆（ITER）等传统托卡马克呈环形，中心有一个大孔，需要庞大的磁铁和结构支撑。球形托卡马克将这个孔最小化，实现了更紧凑的纵横比。这种设计使等离子体更靠近磁铁，能够在更小的装置中实现更强的磁场和更好的约束效果。其优势包括：
- 紧凑性与成本效益：10米直径减少了材料需求和建设成本，与更大规模的设计相比，有望大幅降低开支。
- 模块化建造：可分部分组装，简化了维护和升级流程。远程操作系统能够在放射性区域快速更换部件。
- 更高的等离子体性能：球形设计可实现更高的比压（等离子体压力与磁场压力之比），从而提高效率。
- 燃料循环技术应用创新：集成了氚增殖与提取系统，解决了一个关键瓶颈问题。
STEP的公私合作模式也颇具特色，由UKIFS牵头，联合了英国原子能管理局（核聚变专业知识）、工程和建筑合作伙伴组成联盟。这一模式有助于培育英国本土供应链和知识产权组合。
四、核心参数
STEP核心参数为：主半径（R）：2.5-3.5m，环径比约1.8，实现紧凑性设计。
- 磁场（Bₜ）：环向磁场约4-5T，采用高温超导体以提高效率。
- 加热功率：中性束注入和射频加热总功率约50-100MW。
- 能量增益（Q）：目标Q>1（净增益），理想状态下Q≈10以实现商业可行性。
- 电力输出：净电力输出50-100MW。
五、建设历程
- 1991年，世界首个球形托卡马克装置—START在英国卡勒姆聚变实验室（CCFE）启动运行。设计参数为：大半径0.18-0.22m，小半径0.13-0.17m，环径比1.3-1.5，等离子体电流为60-200kA，环向磁场0.4-0.6T。
- 1995年，球形托卡马克装置MAST启动设计。
- 1997年，MAST装置建设工作启动。
- 1999年，MAST装置建成并投入运行。
- 2019年10月份，时任英国首相的Boris Johnson正式宣布启动STEP项目，标志着英国聚变研究进入应用导向的新阶段。
- 2021年10月，英国政府发布《迈向聚变能源：英国聚变战略》，明确将STEP作为实现聚变商业化的核心项目，并承诺成为全球首个通过立法确保聚变能源安全部署的国家。
- 2022年10月，经过近两年的选址过程，英国商务、能源与产业战略大臣宣布诺丁汉郡的西伯顿（West Burton）燃煤电厂旧址为STEP的建设基地。
- 2023年2月，英国政府成立了全资子公司 UK Industrial Fusion Solutions Ltd（UKIFS)，专门负责STEP项目的设计、建造和运营。
- 2025年1月，英国政府宣布追加4.1亿英镑投资，用于STEP项目2025-2026年的开发，同时公布了入围的工程和建设合作伙伴名单。
跟据当前规划，STEP的整个执行实施共分为四个主要阶段：
- 2019-2024年：项目概念设计
- 2025-2032年：项目全面详细设计和原型验证，并获得建设许可；
- 2032-2038年：实际建设阶段，在西伯顿场地进行主要设施的建造和安装
- 2038-2040年：进行系统集成测试和首次等离子体实验。如果一切按计划进行，STEP将在2040年代初实现首次并网发电，开始为期数年的运行验证。
STEP项目承载着英国核聚变动力未来的希望。到2040年，它可能为商业电站的发展指明方向，保障能源独立。正如UKIFS首席执行官保罗・梅思文所说：“我们已准备好将这一大胆愿景付诸行动。”
参考资料：
- https://biz.chosun.com/en/en-science/2025/09/01/M7N4TTHVNVAFHBDIL6BZYCR6S4/
- https://step.ukaea.uk/what-is-step/