2024年2月8日，欧洲核聚变研发创新联盟（EUROfusion）和英国原子能管理局 （UKAEA）共同宣布：卡勒姆聚变能源中心（Culham Centre For Fusion Energy，CCFE）的JET装置在2023年进行的氘氚实验中，持续产生了5秒的高聚变功率，仅使用0.2毫克的燃料便产生69MJ的能量。这超过了其在2021年创下的世界纪录，当时是在5秒内产生了59兆焦耳。
实验室概况
卡勒姆聚变能源中心（Culham Centre For Fusion Energy，CCFE）最早可追溯到20世纪60年代，现地址位于英国牛津郡卡勒姆园区，是一家隶属于UKAEA的国家级科研实验室，员工人数超2,200人。CCFE主要研究方向是磁约束核聚变，研究内容涵盖了聚变理论、实验物理、材料科学、工程技术等磁约束核聚变相关的关键领域。
实验室发展历程
-1954年，UKAEA正式成立，主管英国的热核武器研究开发工作。
-1957年，Harwell实验室耗费不到100万美元，建造了环形箍缩装置ZETA（Zero Energy Thermonuclear Assembly）。8月底，ZETA装置产生了中子。物理学家据此宣称是热核聚变反应生成了中子。但是次年Harwell实验室的Basil Rose证明了该中子并非是热核聚变反应的产物。科学家因此认识到，实现核聚变要比想象的难得多。
-1965年，卡勒姆实验室（Culham Laboratory）正式落成。该实验室是UKAEA在皇家空军基地卡勒姆园区旧址的基础上建设而成，作为英国聚变计划的专门研究机构。
-1969年，卡勒姆实验室的科学家在苏联验证了T3装置成功实现超过1000万摄氏度的等离子体温度。自此，卡勒姆实验室开始专注于托卡马克装置的研发。
-1973年，欧共体原子能机构Euratom启动了多国合作建设的托卡马克装置，即后来的JET(欧洲联合环面装置)。
-1977年，JET选址在卡勒姆实验室所在的园区。
-1978年，JET项目启动建造。
-1983年，JET产生第一个等离子体。
-1989年，紧凑型托卡马克装置COMPASS建成。
-1991年，JET首次实现氘氚聚变反应，成为世界上第一个使用氚和氘50:50 混合物的生产燃料运行的反应堆。
-1991年，全球首台大型球形托卡马克装置建造，即START装置。
-1997年，JET创下聚变功率16.1MW、聚变能量21.7MJ的世界记录。
-2000年，卡勒姆实验室的MAST装置建成。
-2009年，Culham Laboratory更名为Culham Centre For Fusion Energy，即卡勒姆聚变能源中心（CCFE），作为UKAEA聚变能源计划的一部分。该计划还包括Remote Applications in Challenging Environments（RACE）和Materials Research Facility（MRF）。
-2021年，JET在实验中实现了5秒内产生59MJ的聚变能量。
-2023年，JET在最后的氘氚实验中，实现了5秒内产生69MJ的聚变能量。
实验室主要聚变装置
JET（Joint European Torus）：即欧洲联合环面装置。该装置是第一个用氘和氚产生受控聚变能的装置，同时也为ITER测试了等离子体物理、系统和材料。1983年建成，2023年结束运营。1991年，JET首次进行了氘氚实验；2009-2010年，JET为ITER测试了全新的铍/钨等离子体壁，2023年完成最后一次实验后正式退役。该装置的参数为：大半径2.96m，小半径0.96m，等离子体电流7MA，磁场强度4T。
COMPASS：1989年建成的一种紧凑型托卡马克聚变能装置。初期采用的是C形真空容器，建成当年产生第一个等离子体。1992年，装置升级后采用了D形真空容器，实现了高等离子体约束的运行模式（H模）。2002年结束运行。该装置参数为：大半径0.56m，小半径0.23m，等离子体电流360KA，中心环向磁场强度0.9T-2.1T。2004年，该装置转移至捷克的布拉格等离子体物理研究院，并在2006年重启运行，并持续运行到2021年8月。升级后的CPMPASS-U参数为：大半径0.84m，小半径0.28m，等离子体电流2MA，中心环向磁场强度5T。
START（Small Tight Aspect Ratio Tokamak）：又称小紧环径比托卡马克。1990年建成，是全球第一个球形托卡马克装置。大半径仅有0.3m，小半径不足0.15m，等离子体电流0.31MA，中心环向磁场强度0.5T。1998年，SMART完成最后一次实验。设备拆解后转移到意大利ENEA实验室，作为Proto-Sphera的研发基础。
MAST-U（Mega Amp Spherical Tokamak-Upgrade）：前身为1997-2013年运行的MAST装置。2013-2020年进行了升级并更名为MAST-U。升级完成后，该装置参数为：大半径0.85m，小半径0.65m，等离子体电流2MA，中心环向磁场强度0.75T。MAST-U还使用了Super-X偏滤器，可以在足够低的温度下将等离子体从设施中导出，从而降低热功率负载以达到材料可承受的温度。
STEP（Spherical Tokamak For Energy Production）：该项目是英国当前重点推进的国家级聚变能发展项目，由UKAEA牵头推进，目标是2040年前后建成原型聚变电厂，示范聚变技术的商业可行性，并验证聚变电厂实现燃料（即氚）自给自足的能力。当前尚处于第一阶段，已经选定诺丁汉郡西伯顿电厂为厂址。考虑到西伯顿原先是化石燃料发电的集中地，选址于此也被视为英国从化石燃料发电向聚变能发电转型的标志性象征。
实验室历任领导者
John Adams：1920年出生于英国萨里郡金斯顿，是一位杰出的英国加速器物理学家。1931-1936年就读于伦敦的Eltham College。1960-1966年，Adams担任了卡勒姆实验室的第一任主任，并在1963年当选英国皇家学会院士。1971年，他重返欧洲核子研究中心（CERN）并担任第二实验室主任，领导了超级质子同步加速器项目的设计。1984年3月，在瑞士逝世。有趣的是，Adams并没有接受过大学教育。
Rendel Sebastian Pease：1922年出生于英国剑桥。1961年，Pease教授担任卡勒姆实验室的部门负责人，负责受控热核研究（CTR）部门的工作。1968-1981年，担任卡勒姆实验室的第二任主任。在任期间，他鼓励设计大型托卡马克，并在此过程中参与了欧洲大型托卡马克项目（即后来的JET）。Pease教授于2004年10月逝世。
Mick Lomer：1926年出生，2013年逝世。Lomer教授在1981-1990年担任了卡勒姆实验室的第三任主任。
Don Sweetman：1927年出生，1962年加入卡勒姆实验室。1980年代，他设法为START装备找到了建设资金，该装置成功证明了“球形托卡马克‘的可能性和前景。1990-1996年，Sweetman教授担任卡勒姆实验室的第四任主任。Sweetman教授是获得政府和欧洲批准建造MAST装置的关键人物。2014年12月逝世。
Derek Charles Robinson：1941年出生于英国马恩岛。是一位物理学家，其职业生涯大部分时间都在英国核聚变发电计划中工作。1969年，Robinson教授在对苏联T-3装置进行关键测量时发挥了关键作用。他还在START装置及其后续MAST装置的建造中发挥了重要作用。1996-2002年担任卡勒姆实验室的第五任主任。2002年2月逝世。
Frank Briscoe：2002–2003年担任卡勒姆实验室第六任主任（代理）。
Christopher Llewellyn Smith：1942年11月出生，1967年在牛津大学New College获得理论物理学博士学位。1979年获得詹姆斯·克拉克·麦克斯韦奖章和奖，1984年当选英国皇家学会院士。2003-2008年，Smith教授担任卡勒姆实验室的第七位主任。2004年，他成为欧洲核聚变原子能共同体咨询委员会（CCE-FU）主席。
Steve Cowley：1959年出生，1985年在美国普林斯顿大学获得天体物理学博士学位。Cowley教授是一位理论物理学家，同时也是核聚变及天体等离子体权威学者。2008-2016年，Cowley教授担任CCFE的第八任主任。之后担任PPPL的主任。
Ian Chapman：2004年硕士毕业于杜伦大学，2008年获得帝国理工学院等离子体物理学博士学位。2012-2014年，担任JET项目工作组负责人。2016年10月-至今，担任UKAEA首席执行官，同时兼任CCFE第九任主任。2023年当选英国皇家学会院士。
实验室衍生公司
Tokamak Energy：成立于2009年，起源于CCFE。该公司已获得美国能源部的多笔资助，并与橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）和普林斯顿等离子体物理实验室（Princeton Plasma Physics Laboratory，PPPL）建立合作伙伴关系。Tokamak Energy正通过联合开发具有高温超导（HTS）磁体的球形托卡马克，并计划于2030年代寻求商业聚变能源的全球部署。它还在开发用于其他应用的HTS磁体技术。其紧凑型球形托卡马克ST40曾在2018年达到了1500万摄氏度的等离子体温度，2022年达到了超过1亿摄氏度。2020年，公司宣布宣布凭借其专利技术在20K时创下了24T的世界纪录。2023年2月，Tokamak Energy宣布已完成全球首套新一代高温超导磁体制造，并在年内组装在Demo4设施中，2024年在聚变电厂工况的极端条件下开展测试工作。
早在2021年10月，英国政府就发布了《英国聚变能发展战略》明确了聚变能未来发展方向，并设立了两个总体目标：一是建成STEP原型聚变电厂，实现并网发电；二是建立英国聚变产业集群，未来实现聚变技术出口。据悉，英国的聚变产业集群，就是以CCFE所在的Culham园区为核心建立的。First Light Fusion将于2027年在园区建成弹丸聚变研究装置Machine 4，General Energy将建设并运营一座原型聚变电厂，Tokamak Energy也表示将会建设全球第一座大规模使用高温超导磁体的强场球形托卡马克装置ST80-HTS。
参考链接：
- https://ccfe.ukaea.uk/
- https://ccfe.ukaea.uk/programmes/mast-upgrade/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Culham_Centre_for_Fusion_Energy
- http://www.casisd.cn/zkcg/ydkb/kjqykb/2021/202107/202109/t20210915_6203287.html
- https://culham.org.uk/fusion-research-facility-jets-final-tritium-experiments-yield-new-energy-record/