2022年2月，英国牛津郡Tokamak Energy公司的实验室里，一组数据让全球聚变界沸腾：其旗下的ST40高场球形托卡马克装置，成功将等离子体离子温度加热至1.1亿摄氏度——这是人类在球形托卡马克装置上实现的最高温度，也是商业聚变能源道路上的关键一跃。
鲜为人知的是，这一突破并非单一企业的功劳。背后是一场横跨大西洋的公私协同实验：英国私营聚变企业Tokamak Energy（TE）与美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）、橡树岭国家实验室（ORNL）等公立科研机构，通过美国《合作研究与开发协议》（CRADA）构建的全球首个聚变领域跨国公私合作伙伴关系（Public-Private Partnership，PPP）。9月4日发表于《Fusion Science and Technology》的论文，系统揭秘了这一合作如何以493万美元公投资金撬动百亿级商业化价值，为聚变研发提供了可复制的“ST40模式”。
一、聚变困局与PPP破题：当私营热情遇上公立积淀
聚变能源被视为 “终极能源”，但其研发长期面临 “投入大、周期长、转化慢” 的三重困境。传统模式中，公立实验室主导基础研究，但设备迭代迟缓；私营企业聚焦商业化，却受限于科研团队规模——这种割裂一度让聚变商业化停留在 “实验室到工程化” 的鸿沟前。
转机出现在近十年。随着全球私营聚变部门崛起，格局开始重塑。截至2024年7月，全球已有至少45家私营聚变企业（编者注：2025年扩大至53家），总投资达71亿美元（编者注：2025年增加值97亿美元），企业在紧凑型装置、高温超导等关键技术上的突破，让 “近商业化” 成为可能。与此同时，各国政府意识到：单靠一方难以突破瓶颈，公私合作（PPP）成为必然选择。2023-2024年，全球聚变公私合作融资从2.71亿美元飙升至4.26亿美元（编者注：2025年提高至7.95亿美元），目标直指2030年代中期建成聚变试验堆（FPP）。
ST40合作正是在这样的背景下诞生。2019年，TE——这家以 “球形托卡马克+高温超导磁体” 为核心路线的英国企业，面临一个现实难题：其ST40装置虽具备 “高磁场（2.1T，是同类装置的两倍）、紧凑型” 的独特优势，但初期团队仅能覆盖设备操作、基础诊断等工作，缺乏突破核心物理问题的科研能力。而另一边，美国PPPL等实验室正因旗下NSTX-U（
美国球形托卡马克的代表：NSTX-U
）的工程延误，急需高磁场平台开展球形托卡马克物理研究。
“需求的完美契合，让这场跨洋合作水到渠成。” 论文通讯作者、TE科学家Steven McNamara在文中指出。美国能源部（DOE）很快通过聚变能源科学（FES）项目注入493万美元，支持公立实验室参与ST40研究，一场基于CRADA协议的公私协同实验正式启动。
二、1.1亿度的协同密码：从设备平台到技术互补
ST40的1.1亿度突破，是公私双方技术能力 “精准咬合” 的结果。这场突破的核心逻辑，并非简单的 “企业提供设备+公立提供资金”，而是深度的技术分工与能力互补。
对于TE而言，公立实验室的核心价值在于 “填补科研短板”。为验证等离子体温度，PPPL团队带来了关键的“TRANSP代码”——这一用于解析等离子体参数的数值工具，能通过杂质离子温度反推核心离子温度，最终确认ST40的中心温度达到9.6keV（约1.1亿摄氏度）。ORNL则优化了“电荷交换复合光谱（CXRS）诊断系统”，通过调整光学布局和分析算法，将温度测量精度提升30%，为突破提供了可靠的实验依据。
“没有公立实验室的诊断技术支撑，我们很难精准验证这一里程碑。” 论文提中到，TE初期的诊断体系仅能满足基础测量，而PPPL出借的高速CCD相机、ORNL开发的偏滤器热通量分析工具（FAHF与IRRITIANT），让ST40的诊断能力从 “入门级” 跃升至 “国际先进水平”。例如，ORNL安装的红外相机与磁屏蔽系统，能实时捕捉偏滤器表面的热分布，解决了紧凑型装置 “散热难” 的关键问题。
对美国公立实验室而言，ST40则是 “不可替代的实验平台”。因NSTX-U的工程延误，美国在高场球形托卡马克领域的研究一度停滞，而ST40的2.1T磁场，恰好为其提供了“独一无二的参数空间”。PPPL利用这一平台发现 “热离子模式下，能量约束与等离子体同位素质量呈强相关”，为未来聚变堆的燃料配比提供了关键依据；ORNL则通过实验观测到偏滤器热通量的“双分支特性”——部分放电中，热通量衰减长度比传统预测值窄10倍，这一发现颠覆了紧凑型装置的散热设计思路。
这种“平台换技术、技术促突破” 的互补模式，让ST40在5年合作期内产出12篇同行评议论文、20余次国际会议报告，不仅实现了企业的技术里程碑，更填补了3项聚变物理领域的科学缺口。
三、拆解 “ST40 模式”：公私协同的四大核心法则
ST40合作的成功，绝非仅仅是资金与设备的简单叠加，而是一次精心设计与执行的制度创新。它为我们提供了一个近乎完美的“范本”，揭示了在尖端科技领域，如何让公私两大体系从“物理毗邻”走向“化学融合”。其成功可归结为四个环环相扣的核心要素，它们共同构成了一种可复制、可推广的新型创新范式。
1. 目标对齐——聚焦“交集领域” 避免协同内耗
公私合作最大的挑战，往往源于根本使命的不同：私营部门追求在特定路径上快速实现技术商业化，而公立机构则致力于拓宽整个领域的基础科学认知。
ST40合作的精明之处在于，它没有试图模糊或调和这一根本差异，而是
精准地找到了一个双方价值的“最大公约数”
。对于TE而言，ST40是验证其球形托卡马克结合高温超导磁体技术路线的核心实验装置，其每一个里程碑都关乎公司的生存与发展。对于PPPL和ORNL而言，NSTX-U的停摆使其研究人员急需一个高场强球形托卡马克平台，以继续推进其被国家赋予的研究使命——理解约束、传输、偏滤器物理等关键问题。
ST40的独特参数（2.1T的场强、紧凑的尺寸）恰好成为了这个“价值锚点”。TE需要借助国家实验室的智慧来解锁ST40的全部潜力，以达成其商业里程碑；国家实验室则需要ST40的独特参数空间来推进其基础科学研究。
两者的核心目标在ST40这个物理装置上实现了完美的“对齐”
。这种对齐不是泛泛而谈，而是通过CRADA中15项具体任务被逐一落实，确保了每一份投入都能同时满足双方的核心利益。
2. 灵活协议——以CRADA为框架应对变量
与传统政府主导的大型项目计划不同，ST40合作展现出了惊人的灵活性。其CRADA被设计为一个
“伞状协议”（Umbrella Agreement）
：它确立了合作的战略框架、总体目标和基本原则，而非僵化地规定未来五年每一个季度要完成的细节。
这种设计充分尊重了创新探索的不确定性和初创企业的敏捷特性。在五年合作期内，ST40的诊断系统在升级、运行计划因疫情或设备状态而调整、新的科学问题不断涌现。然而，由于顶层框架的包容性，合作双方可以动态地调整具体的研究子任务和资源分配，而不必陷入冗长的合同重新谈判中。
例如，当团队发现高能粒子不稳定性与H模转换之间存在有趣关联时，他们可以迅速分配机时进行“机会主义”的研究，而这在传统僵化的合作条款下几乎是不可想象的。这种
“战略上稳定，战术上敏捷”
的框架，是合作能持续产出成果并适应变化的关键。
3. 开放与保护平衡——数据共享不碰IP红线
在涉及核心技术的公私合作中，知识产权（IP）往往是最敏感、最容易导致合作破裂的“雷区”。TE采取了大胆而明智的策略：
将“整个ST40实验项目”视为一个开放的科研平台，同时对平台之外的公司核心技术（如其HTS磁体设计、电厂设计软件等）实施严格的IP保护。
具体而言，TE向公立合作伙伴敞开了所有实验数据、操作日志和大部分分析工具，甚至为其开设了访问内部系统的账号。这种“玻璃房”式的透明度，极大地激发了公立研究人员的归属感和积极性，使他们能够像操作自家装置一样深度参与ST40的科研工作。
同时，通过CRADA中
30天的预发表审查机制
，TE巧妙地平衡了开放与保护的需求：既保证了科学发现的公开和传播，又为自己赢得了时间，以确保即将公开发表的成果不会意外泄露其核心商业机密。这种清晰、透明且互惠的规则，成功地将IP从“合作的绊脚石”转变为“互信的基石”。
4. 深度嵌入——打破 “机构壁垒” 构建虚拟团队
最值得称道的，或许是合作中人的因素。美国国家实验室的研究人员并非仅仅是远程提供分析建议的“顾问”，而是被
深度嵌入（Embedded）
到TE的各个团队中——诊断组、运行组、物理分析组，甚至项目计划委员会。
他们参加TE的每日晨会、周度科学评审和长期规划会议。他们的意见被认真听取，他们的建议被快速响应。这种安排打破了传统的“我们-他们”的隔阂，塑造了一种
“我们的ST40”
的共同身份认同。它传递出一个强烈信号：我们是一个团队，拥有共同的目标。
这种深度协作的文化，甚至在疫情期间的远程工作中也得到了延续。而当限制解除，美国研究人员得以亲赴英国现场时，这种面对面的交流进一步催化了创新——许多关于诊断优化的奇思妙想，正是在实验室现场的即时碰撞中产生的。
四、从试点到标杆：聚变商业化进入 “协同2.0 时代”
ST40的影响已超越单一项目。2024年底，TE、美国DOE与英国能源安全与净零部（DESNZ）共同宣布：投入5200万美元升级ST40，将其改造为 “近商业化验证平台”——替换高Z材料面向等离子体部件、安装1MW回旋管、升级超导磁体测试系统，目标是2030年前验证 “聚变堆级” 等离子体运行模式。
这一跨国合作被视为“ST40模式” 的升级延伸，而美国DOE的 “私营设施研究计划” 更是直接复制其核心原则：鼓励公立实验室与私营企业合作，利用私营装置开展基础研究，预计将带动10余个类似项目落地。
如今，全球聚变界正掀起“ST40模式” 的复制浪潮：日本FAST项目借鉴其数据共享机制，德国Fusion2040计划引入CRADA协议框架。这场始于牛津郡实验室的协同实验，正在重塑聚变能源的研发格局，让“终极能源” 的商业化距离更近一步。
参考链接：
- https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15361055.2025.2515662#abstract