核聚变反应堆有望利用与恒星相同的能量产生原理，提供取之不尽的清洁能源。然而，数十年的研究过去了，能够实际供电的聚变反应堆仍遥不可及。近日，初创公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）深入披露了其正在建造的反应堆中被认为最为复杂的核心技术——即反应堆控制发电等离子体的方式。
该公司表示，研究结果支持其目标愿景：建造一座能产生1.1吉瓦聚变功率、向电网净输出400兆瓦电力的反应堆。"这足以为约28万户美国普通家庭供电一年，而所需燃料仅需一辆皮卡车就能运完，"CFS联合创始人兼首席科学官Brandon Sorbom说道。该公司位于马萨诸塞州德文斯市。
CFS正在研发的ARC（经济可靠紧凑型）聚变反应堆是一种托卡马克装置，其本质上是一个甜甜圈形状的磁力容器，能在足以迫使原子核发生聚变的压力和温度下，将等离子体约束在其中。这些原子的一小部分质量会在此过程中转化为能量。"我们基本上是在创造一颗微型恒星，"Sorbom说。
ARC反应堆的核心创新在于采用了高温超导（HTS）磁体，而非需要在接近绝对零度的极低温环境下工作的传统超导磁体。尽管高温超导体仍需在约20至77开尔文（即零下200至250摄氏度）的环境中运行，但其相对较高的工作温度意味着所需冷却设备大幅减少。这使得ARC比国际热核实验反应堆（ITER）等以往的聚变堆设计更加紧凑和简洁。
聚变反应会产生中子，其能量用于加热围绕反应堆磁力容器不断循环流动的熔盐。这层熔盐"毯"随后会加热流体，驱动涡轮机发电。
CFS的研究人员与麻省理工学院、哥伦比亚大学、马克斯·普朗克等离子体物理研究所及全球其他机构的科学家合作，对ARC反应堆的科学原理进行了深入阐述。相关研究成果以五篇同行评审论文的形式，发表于《等离子体物理学杂志》。
"我们证明，ARC发电站具有坚实的物理学基础，"Sorbom说，"这些论文证实，当我们建造ARC聚变发电站时，它将能够正常运行。"
五篇论文的58位作者中，约三分之二来自CFS以外的机构。"这些论文不仅代表了我们自身的验证，更代表了全球聚变科学界的认可，"Sorbom说，"随后这些成果还经过了更多机构的同行评审，以独立核查确保所有计算的正确性。"
新研究详细描述了ARC应对等离子体破裂这一重大挑战的解决方案。等离子体破裂是指等离子体内部失稳，导致其失控螺旋并接触反应堆壁的现象。这不仅会造成严重破坏——等离子体温度高达1.5亿摄氏度，携带着1200万安培的电流——还会导致等离子体熄灭。
"等离子体物理非常困难，是整个装置中最复杂的部分，"Sorbom说。
研究人员在论文中描述了限制破裂影响的方法，例如向ARC中快速注入大量气体作为缓冲，以防止等离子体损伤反应堆。与此同时，他们还将ARC设计为每天可承受一次破裂，并能在一分钟内重启等离子体而不中断电力输出。
"即使等离子体停止运行，熔盐的温度也不会立即大幅下降，"Sorbom说。因此，熔盐可以持续供热发电，直到聚变重新启动。
ARC将使用氘和氚这两种氢同位素作为燃料。最终，ARC还将自行增殖氚以供未来使用——来自等离子体的中子撞击熔盐时，会将盐中的部分锂嬗变为这种稀有的氢同位素。生成的氚可用作反应堆的燃料，或为其他发电站提供初始补给，"从而推动这项技术的快速规模化扩张，"Sorbom说。
ARC的预计使用寿命为25至30年，其寿命长短主要取决于超导磁体能承受多久逃逸出熔盐层的中子辐射损伤。如果希望聚变电站拥有更长的寿命，"可以适当扩大规模，在盐毯和磁体之间加入更多屏蔽层，"Sorbom说。
研究还指出，反应堆内盛放等离子体燃料的真空室会随时间侵蚀，"大约每一到两年就需要更换一次，"Sorbom说。
CFS已将真空室设计为可快速更换的结构——打开反应堆、排空熔盐毯后，便可切割并移除旧真空室，再装入新的。
ARC在更换期间须停机，但Sorbom指出，其他类型的发电站通常也会每隔几年停机进行例行维护。该公司希望ARC的维护周期尽量短暂，"最多几个月，"他说。公司目前正与一家电网运营商合作，规划停机维护的安排。
Sorbom还补充说，每次更换真空室时，都可以同步升级设计。"第一个真空室可能用一年半，下一个用两年，再下一个用两年半，每次都在进步。"
综合来看，这些新研究表明ARC将会成功。"我们在设计ARC时，就已考虑到即便各种不确定因素全都朝最不利的方向发展，ARC依然能够正常运行，"Sorbom说。
目前，CFS正在建造ARC的小型原型机Sparc，"Sparc的建造进度已超过75%，"Sorbom说。公司计划于2027年实现Sparc的首次等离子体点火，并争取在2030年代初让ARC开始向弗吉尼亚州的电网输电。
尽管新研究内容翔实，ARC反应堆的设计仍在持续演进。"我们将能够利用从Sparc获得的经验，对ARC进行最终的设计调整，"Sorbom补充道。
Q&A
Q1：ARC反应堆的核心创新是什么？
A：ARC反应堆的核心创新在于采用了高温超导（HTS）磁体，取代了传统需要在接近绝对零度环境下运行的超导磁体。高温超导体在约20至77开尔文的相对较高温度下即可工作，所需冷却设备大幅减少，使得ARC比ITER等传统聚变堆设计更加紧凑和简洁，同时降低了建造难度和成本。
Q2：ARC反应堆如何应对等离子体破裂问题？
A：ARC采用了多种应对策略。首先，可向反应堆中快速注入大量气体作为缓冲，防止失控的等离子体接触并损坏反应堆壁。其次，ARC被设计为每天可承受一次等离子体破裂，并能在一分钟内重启等离子体，期间不中断供电，因为围绕反应堆的熔盐温度不会立即骤降，可持续供热发电直至聚变恢复。
Q3：ARC反应堆的商业化时间表是怎样的？
A：目前，CFS正在建造ARC的小型原型机Sparc，建造进度已超过75%。公司计划于2027年实现Sparc的首次等离子体点火，以验证核心技术。在此基础上，正式商用的ARC反应堆预计将在2030年代初开始向美国弗吉尼亚州的电网输送电力，届时每座ARC电站可为约28万户美国普通家庭提供一年的用电。
