MIT 開發的「ARC」核聚變反應堆與常見的托卡馬克式系統相比有哪些改進？

01-04

參見新型聚變反應堆十年內或可商用：能源無窮無盡_cnBeta 科學探索_cnBeta.COM
IEEE Spectrum報道：MIT Has Plans for a Real ARC Fusion Reactor
這是否意味著核聚變反應的商業應用即將到來？

把這條消息結合起來呢？各位磚家怎麼看？也是MIT的：
New finding may explain heat loss in fusion reactors

謝喵

從勞孫判據的角度來講，判斷反應能否發生的三乘積 $n au T$ , 和判斷磁流體不穩定性的比壓 $eta = frac{nkT}{8pi B^2}$ 來講，提高磁場可以在保證比壓不變的情況下提高 $nT$ 的乘積，從而可以在更小的裝置內實現更高的等離子體密度，從而降低反應閾值，就醬。

後來想了一下，有一個漏洞，這裡假定能量約束時間 $au$ 是不變的，但是減小裝置體積會使能量約束時間變短（大概？），所以會有一些影響。總體上來講是個不錯的新聞，但是具體細節還有太多需要完善的地方，比如Glenn He提到的氚加料的問題。

瀉藥。不好意思，前面有點忙，也沒心思寫回答，趁國慶把積累的問題集中回答。

簡單來說就兩個字，扯淡。

人類利用原子能的路線是三代壓水堆--四代堆--聚變堆。三代壓水堆現在商運存在種種毛刺，比如AP1000的主泵，EPR的建設周期。四代堆問題更大，說一個比較好理解的，快堆加速器的某些部位需要負荷巨大的能量密度，相當於在一平方厘米的面積上每秒鐘承擔5000發子彈的能量。

再談聚變，MIT這個ARC顯然是托卡馬克的一個變種裝置，採用超導磁約束高溫等離子體。看了原文，意思就是說，我現在有一種超導材料，可以大幅提高磁場強度，從而提高約束能力，從而可以讓聚變裝置小型化。說實在的噴點太多不知道從哪裡開始噴：

裝置大半徑，小半徑與縱向磁場決定了等離子體電流，公式我就不碼了；等離子體電流決定了密度極限定標率；密度極限又決定了磁壓比。簡單說就是小尺寸的馬克要求更高的磁場，到這都是對的，接下來就高潮了，ARC通過用超導線圈獲得了更大的磁場，最後得出他的結論。其實，我所EAST裝置大概10年前就是全超導線圈了，按說明年應該商用？
我說說技術難題吧，從聚變三重積說所面臨的工程問題比較好理解。

首先說n，即有效聚變粒子密度。在等離子體燃燒的過程中需要補充中性粒子，然後通過偏濾器導出聚變後雜質粒子。難度在於你要有效的導出雜質，注入燃料，同時保持約束狀態。等離子體實際上就是一團氣體，目前全超導線圈下L模加H模約束態加起來也是秒量級，在中性束注入和雜質偏濾過程中，等離子體的邊界分分鐘秒秒鐘就破裂了
再說T目前是上億度，太陽是千萬度量級，別問為啥比太陽溫度還高。因為人家大太陽很大，自身引力約束就很有效，我們小太陽很小，需要更高溫度補償三重積。問啥ITER做的要比我們的EAST大，也就是這個原因，大裝置比較容易實現聚變自持。目前加熱方式有兩種，歐姆加熱，低雜波加熱。後者加熱方式很先進，但是從最近的實驗看，低雜波加熱會顯著影響等離子體約束的穩定性。單純加大磁場對提高約束沒什麼幫助，因為等離子體狀態變換很快，反饋控制依靠磁場變化目前很難自適應等離子體邊界的變化

PS：美國NIF點火失敗標誌著慣性約束的受阻，現在聚變方向主要集中在磁約束，磁約束主要關注在ITER，ITER工期一拖再拖，說2026年建成，可是現在連樓都沒幾棟，感嘆法國人的效率。要不中國也不會計劃搞自己的聚變工程堆CFETR。

10年內商用，還小型的，這是拉風投呢。

以上

找了一下原始報道，大概有MIT News和IEEE Spectrum兩個比較有公信力的來源。但是兩個報道里在標題或開頭處都提到了是「PlanDesgin」。以IEEE的報道為例（MIT Has Plans for a Real ARC Fusion Reactor），簡要做個解讀：

首先，ARC這個名字來自於同屬MIT（本科）畢業的漫威英雄鋼鐵俠Tony Stark所造的ARC反應堆。這次報道出的MIT所做的ARC反應器，實際上仍然是基於tokamak設計的。在這裡補充一下，tokamak是目前磁約束核聚變方向採用的主流方案，也是研究較多、發展較好的一種反應器。常常被報道的ITER是目前世界上最大的tokamak裝置，它的發展目標就是商業化的聚變裝置。

MIT的ARC設計上的不同之處在於，它使用了一種新的商用超導材料REBCO（稀土鋇銅氧化物）。使用這種材料的要點就在於它能提高磁場強度（幾乎2倍）。增強磁場強度的作用francium bobo已經回答清楚啦（MIT 開發的「ARC」核聚變反應堆與常見的托卡馬克式系統相比有哪些改進？ - francium bobo 的回答）。

ARC的設計基本都是基於現有的、被證實可行的技術，尺寸相近的小型tokamak裝置在全世界也有不少。但關鍵是，MIT說：「devices of a similar complexity and size have been built within about five years」。也就是大家炒的沸沸揚揚的ARC裝置目前還在圖紙上啊！差不多的建成還得5年呢！

所以那些動不動就說「核聚變的商業化即將到來」「十年內解決能源危機」的報道還是算了。

大概兩年前自己搞著玩，推算了一下三峽電站年發電量如果換算成反物質湮滅的能量，大概需要多少相應的質量——答案是3.8千克。核聚變的質量損失比要小很多，例如氘氚反應生成氦和中子，質量損失大概是0.38%，而天然氘在海水中的含量大概是1/7000，也就是說，三峽電站年發電量，除以兩百萬，就是一升海水的聚變能量，也就是————

五萬度電，相當於40個城市家庭的年用電量。（僅大概說明下數量級）

意淫一下，可控核聚變要是真商用了，黃金時代就真的來了。

首先爆發的是席捲全球的改造運動，一整條能源相關的科技產業鏈瘋狂發展，例如：大型海上氘氚提取加工平台—近海聚變發電站—新型超級電網—電解水工廠—高性能氫燃料電池液化氫油箱—癌細胞一樣擴張的加氫站-高速公路和鐵路的迅猛增長。

當然，考慮到人們長久的石油依賴和行業慣性，上述運動其實會緩慢很多。但是只要能源夠了，什麼都不是事兒。伴隨著聚變能源的佔比逐漸加重，直接拉動的還有自動化產業。核電站以及下游工廠的建造，都將高度依賴於新的自動化技術；機器只要給燃料它就肯幹活，人們只需要投入少量的人力管理機器生產能源，讓新的能源驅動機器跑去挖坑鍊鋼再造新的機器，然後建更多的電站——一個正循環很快達成，開始源源不斷的為城市輸送負熵。

黃金時代的物理基礎有了。

能源問題一勞永逸的解決以後，人們會覺得登上了文明的頂峰，開始著手處理一些困擾已久的麻煩，比如環保問題。能源變成像空氣一樣的廉價品之後，人們會立刻覺得，空氣質量這麼糟如何忍得了。伴隨左右的還有城市垃圾，老舊街道，綠化覆蓋率，大樓光污染等一系列問題。但只要有能無盡的能源，政府和民眾再來一點決心，要搞搞城市的環保還是很容易的。關閉所有火力發電站，高緯度城市冬天採用電力供暖，大規模改造污水處理工廠，城市全方位布局空氣凈化裝置，見效應該還是很快的。

環保問題的解決讓人們深刻意識到，身為宇宙高等的智慧生物，改造自己的生活環境讓每一天都越來越舒服爽快是一件多麼神聖而義不容辭的事情，然後所有人的生活都會被拔高到相當的精緻程度，這個時代新出生的所有年輕人都是天生的藝術家和設計師。

然後就是大娛樂時代——

我想像不下去了，好累，自然果然不是寫小說的料。

一邊開組會一邊寫完，馬上要做報告講自己的搬磚進度了。

現實真的很骨感，再賤。

瀉藥

沒聽說過這個裝置。報道里說跟托卡馬克一樣，只是用新材料所以磁場更強，所以可以在更小的裝置上實現聚變。所以上面的幾個回答已經把問題說清楚了。如果真如報道所說有比現在托卡馬克大的多的磁場，實現聚變不是不可能的。

實現可控核聚變有什麼難點，我在另一個回答里答過了，簡單的說並不完全是磁場的問題，或者說裝置尺寸的問題，如果我們不計成本，當然可以再造一個比ITER大好多倍的裝置來實現聚變，關鍵是聚變以後怎麼辦，氚自持、中子才是最後的難點。

說到底總不能期望一個商用堆一天只工作兩個小時吧。

十年就商用，這是牛皮要吹破天啊。單單解決一個磁約束的問題離真正應用還遠得很。比如說tritium breeding blanket還完全不成熟，怎麼用啊

但是穩定性並不是解決一個磁約束問題就可以解決的啊

新型聚變反應堆十年內或可商用：能源無窮無盡_cnBeta 科學探索_cnBeta.COM

對所有所謂的聚變反應堆提出質疑，人類現在做出來的只有聚變反應裝置，或者叫聚變實驗…

反應裝置並不能正向產出能量，只有正向產出能量的才可以叫做反應堆。

這個報道，明顯是MIT那邊在畫新的餅，媒體為了搏眼球也就跟著起鬨。