随着磁技术的发展，研究人员提出了一个实用小型托卡马克聚变反应堆的新设计——他们认为可在短短的十年内实现。几乎取之不尽的实用聚变能的时代即将带来。

提议的ARC反应堆剖视图。随着磁技术的发展，更小且更加廉价的ARC反应堆也能提供与大反应器相同的输出功率。

图片来源：MIT ARC team

这是个老笑话了，聚变科学家已经听厌了：实用核聚变发电厂只需30年的时间——一直都是。

但现在，这个笑话可能要实现了：随着磁技术的发展，MIT研究人员提出了一个实用小型托卡马克聚变反应堆的新设计——他们认为可在短短的十年内实现。几乎取之不尽的实用聚变能的时代即将带来。

采用新型商用超导体稀土钡铜氧（REBCO）超导带材，产生“仅贯穿整个设计”的高磁场线圈，“改变了所有的事。”MIT等离子科学与聚变中心主任、核科学与工程教授Dennis Whyte如此表示。

更强的磁场可以在比之前设想小得多的装置内产生超高温等离子体（即参与聚变反应的材料）所需的磁约束。反过来，规模的减小使得整个系统的建设更加便宜和快速，也使得在发电站的设计上可以有一些巧妙的新功能。该反应堆采用广被研究的托卡马克（甜甜圈状）设计，相关论文发表在《聚变工程与设计》（Fusion Engineering and Design）期刊上，作者包括Whyte、准博士生Brandon Sorbom等13名。该论文开始于Whyte讲授的一堂设计课，并成为学生的课后项目。

动力装置原型（Power plant prototype）

这种新型反应堆基于聚变的基础研究而设计，同时作为能够产生明显电力的发电站潜在原型。该小组称，基本的反应堆概念及其相关元素都是基于MIT和世界各地数十年研究开发的良好验证的原则而成的。

“磁场越高，获得的性能也更高。”Sorbom如是说。

聚变，太阳的核反应，即氢原子对聚合成氦原子，同时释放出巨大的能量。困难之处在于超高温等离子体（一种带电气体），其温度比恒星核心的温度还要高。这就是磁场如此重要的原因所在，它们可以有效的捕捉装置热中心的热量和粒子。

虽然系统的大多数特性往往随着尺寸比例的变化而有所不同，但聚变反应中磁场变化的影响更加极端：随磁场的增加，获得的聚变能呈四次方指数增加。换句话说，在聚变反应中，磁场增加1倍将产生16倍的提高。“磁场的任何一个增加都可以带来巨大的收益。”Sorbom说到。

10倍能量（Tenfold boost in power）

Sorbom说，虽然新的超导体无法将磁场强度提高1倍，但相比于常规的超导技术，足以获得大约10倍的聚变能。这一明显的提高导致了反应堆设计的一系列潜在改进。

世界上最大的聚变反应堆是在法国修建的ITER，预计耗资大约400亿美元。Sorbom及MIT研究小组估计，这个新设计的直径约为ITER的一半（ITER是在这种新型超导体商用之前设计的），这将可以节约成本和建设时间。

该反应堆成为ARC，尽管在大小和磁场强度上与ITER有差异，但其原理基于与ITER “完全相同的物理机制”，“我们无法外推到一些全新的方法上。”Whyte如是说。

该设计另一个关键的进步是无需拆除整个装置从环形反应堆中移除聚变动力核的方法。这使其特别适合于旨在进一步提高该系统的研究，采用不同的材料或设计来微调性能。

另外，与ITER一样，新的超导磁体将使反应堆持续运行，产生稳定的功率输出，不同于目前的实验反应堆运行几秒钟就因铜线圈过热而停止。

液体保护（Liquid protection）

聚变腔室中大多采用固体材料，在这种反应堆中可以用易循环和更换的液态材料取而代之，解决了随时间推移材料降解所需的昂贵更换。这也是这种反应堆的另一个优势所在。

“对于（固体）材料而言这是一个极其严酷的环境。”Whyte说到，所以利用液态材料取代可能是一个主要的优势。

Sorbom说，到目前为止，相比于维持该反应堆运行的输入而言，该反应堆应该能够产生3倍左右的电力。但设计可以将这一比例提高到5~6倍。截至目前为止，还没有聚变反应堆能够产生比其消耗更多的能量，所以这种净能量产生将是聚变技术的一个重大突破。

他们认为，该设计能够产生一个为10万人提供电力的反应堆。类似规模的复杂装置将在5年内建成。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜     校正：摩天轮