也许不是五年？五篇经过同行评审的论文更新了设计并模拟了其预期输出。科学界有一个计划以实现聚变能。它涉及更好地理解如何在一个类似托卡马克的反应堆中控制聚变，利用正在建设中的国际热核聚变实验堆（ITER）反应堆，并利用这些知识建立DEMO风格的发电厂。但ITER甚至预计到2030年代中期才会看到高温等离子体，届时太阳能电池板将变得如此便宜，以至于我们可能在谷物盒中免费获得它们。英联邦聚变是一家初创公司，基本上在问“如果我们现在就这么做会怎样？”它的ITER等同物，一个名为SPARC的托卡马克，已经完成超过70％，计划在明年尽快投入运行。该公司已经有一个场地和客户，用于后续发电项目，名为ARC。这两个项目都以使用高温超导体来产生极其强大的磁场为基础，这将允许公司建设一个更小的反应堆，从而更快地完成事情。多年在托卡马克中运行等离子体让我们对这些计划的基本原理充满信心。但在细节中总是潜藏着许多变数（否则就不需要实验反应堆了）。因此，英联邦的科学家与学术界合作，最近发布了五篇详细阐述ARC计划的同行评审论文：我们现在的最佳模型告诉我们什么，以及我们还需从SPARC中学习什么，以最终确定生产聚变电厂的设计。ARC的基本情况 这些文章都发表在《等离子体物理学杂志》上——它们是开放获取的，因此您可以亲自查看，但它们很长（大约30-40页的PDF）且技术性很强。接下来是一些我在浏览这些文章时觉得的重要内容的概述。ARC将是一个托卡马克，利用氢的两个重同位素——氘和氚之间的聚变。这个反应会产生一个氦核，并释放一个中子和辐射。氦会将热量传递给等离子体，维持聚变所需的条件，但它在其他方面是一个废产品，在聚变的语境中称为“灰烬”。然而，中子和辐射则被加以利用。这种利用的一部分是仅仅将能量传递给包围着聚变腔的熔融盐层。该能量以热量的形式被用来驱动发电机涡轮，产生电力。熔融盐中含有锂离子；当一种锂同位素吸收一个中子时，它会衰变成更多的氦以及可作为反应堆燃料的氚。还存在一些同位素将释放其他中子，从而使得这一过程能够生成足够的燃料。总体而言，ARC目前的设计预计将产生约1.13吉瓦的聚变能，其中500兆瓦将作为电力提取。其中一些（100兆瓦）将用于发电厂的运营，其余400兆瓦将送入电网。其余的能量要么留在托卡马克内部以维持聚变反应，要么因热量和能量转移的效率低下而损失。关于这些数字存在许多不确定性；1.13吉瓦只是一个从900兆瓦到1.3吉瓦的潜在值范围的中心，因此400兆瓦的输出可能需要相应地调整。部分400兆瓦的输出将在聚变不发生的周期内产生。核反应将在15分钟的长时间周期内发生，然后插入1分钟的重置。这些重置旨在保持短暂，以便在再次加热之前不会有太多机会冷却——热惯性将让它继续产生电力。这将是与SPARC的一个关键区分，后者没有维持长时间稳定聚变所需的热提取，因此无法保持均匀的温度以实现可靠的电力生产。设备部分不可避免地会暴露在辐射和可能的聚变等离子体中。反应堆的内壁将由钨保护，这将限制由于条件造成的侵蚀。与此同时，真空容器的设计是每一到两年更换一次。论文指出，这种灵活性将使他们即使在建成ARC后也能进行一些设计更改。为了实现这一点，整个托卡马克预计要分成两半以进行维护。 不稳定性 ARC运营中两个大不确定性是聚变的长期挑战：如何处理磁不稳定性，和如何处理逃出磁约束的氦灰及其材料。后者的一部分将简单地通过每15分钟一次的重置来处理，这将清理反应腔并添加新燃料。但是在运行期间，这将由一个被称为“偏滤器”的区域处理，该区域是磁场的特定部分。