这是一个许多聚变科学家早已听腻的老笑话：实用的核聚变发电厂总是“还要30年”，而且将永远如此。
但如今，这个笑话或许终于不再成立：磁体技术的进步使麻省理工学院的研究人员得以提出一种实用紧凑型托卡马克聚变反应堆的新设计，他们表示，这一设计最快可能在十年内实现。实用聚变发电的时代可能即将到来，而聚变能源几乎可以提供取之不尽的能源资源。
麻省理工学院核科学与工程教授、等离子体科学与聚变中心主任丹尼斯·怀特（Dennis Whyte）表示，采用这些新近商业化的超导体（稀土钡铜氧化物（REBCO）超导带材）来制造高磁场线圈，其影响“贯穿整个设计”。他说：“它改变了整个方案。”
更强的磁场使得对超高温等离子体实现所需的磁约束成为可能（等离子体即聚变反应的工作介质），而且装置尺寸远小于此前设想的装置。尺寸的缩小又使整个系统造价更低、建造更快，也为电站设计带来一些巧妙的新特性。这一拟议反应堆采用了广受研究的托卡马克（甜甜圈形）几何结构，相关论文发表于期刊 Fusion Engineering and Design，论文由怀特、博士生布兰登·索博姆（Brandon Sorbom）及麻省理工学院另外11人共同撰写。该论文最初是怀特讲授的一门设计课程的课程项目，课程结束后转变为学生主导的项目。
电站原型
这一新反应堆既用于聚变基础研究，也可作为能够产生可观功率的潜在电站原型。研究团队表示，该反应堆的基本概念及其相关要素，基于麻省理工学院及全球数十年研究中已得到充分检验的成熟原理。
索博姆表示：“更高的磁场，使你能够实现高得多的性能。”
聚变是驱动太阳发光的核反应，即两个氢原子核结合形成氦，并伴随巨大的能量释放。难点在于约束超高温等离子体（一种带电气体），同时将其加热到高于恒星核心的温度。这正是磁场至关重要之处：它们能有效地将热量和粒子束缚在装置的高温中心区域。
大多数系统特性通常随尺寸变化而按比例变化，而磁场变化对聚变反应的影响则极为显著：可实现的聚变功率与磁场增幅的四次方成正比。因此，磁场加倍将使聚变功率提高16倍。索博姆表示：“磁场的任何增加都会带来巨大收益。”
功率提升十倍
尽管新超导体未能使磁场强度翻倍，但索博姆表示，它们的强度足以使聚变功率较标准超导技术提升约10倍。这一显著进步带动了反应堆设计中一连串潜在的改进。
全球规模最大的规划中聚变反应堆ITER正在法国建设，预计造价约400亿美元。索博姆及麻省理工学院团队估计，新设计的直径约为ITER的一半（ITER的设计早于新超导体的问世），却能产生大致相同的功率，造价仅为其一小部分，且建设周期更短。
尽管尺寸和磁场强度存在差异，但怀特表示，这一名为ARC的拟议反应堆所基于的是与ITER“完全相同的物理原理”。他补充道：“我们并不是在外推至某种全新的领域。”
新设计的另一项关键进展，是无需拆解整个装置即可从甜甜圈形反应堆中移出聚变动力堆芯的方法。这使其尤其适合那些旨在通过使用不同材料或设计来进一步改进系统、微调性能的研究。
此外，与ITER一样，新型超导磁体将使反应堆能够持续运行并稳定输出功率，而当今的实验反应堆一次只能运行数秒，否则铜线圈就会过热。
液态防护层
另一项关键优势在于，此类反应堆中用于包围聚变腔室的大部分固体包层材料，将被一种可轻松循环和更换的液体材料所取代，从而无需在材料随时间老化时进行昂贵的更换工序。
怀特表示：“对[固体]材料而言，这是一个极为恶劣的环境。”因此，以液体取代这些材料可能是一大优势。
索博姆表示，按目前设计，该反应堆应能产生的电力约为维持自身运行所需电力的三倍，但设计可能进一步改进，将这一比例提高到约五至六倍。研究团队表示，迄今为止，尚无任何聚变反应堆产生的能量达到其所消耗的能量，因此这种净能量产出将是聚变技术的一项重大突破。
研究人员表示，该设计可建成一座能够为约10万人供电的反应堆。他们还表示，复杂程度和规模相近的装置曾在约五年内建成。
“聚变能源必将在22世纪成为地球上最重要的电力来源，但我们需要它远比那更早到来，以避免灾难性的全球变暖，”英国 Tokamak Energy Ltd. 公司首席执行官戴维·金厄姆（David Kingham）说。他未参与此项研究。“这篇论文展示了一条加快进展的良好途径，”他表示。
金厄姆表示，麻省理工学院的这项研究“表明，转向更高磁场（这是麻省理工学院的特长）可以带来小得多（因此更便宜、建造更快）的装置。”他称这项工作具有“卓越的质量”；“下一步……将是完善设计、厘清更多工程细节，但这项工作已经应当引起政策制定者、慈善家和私人投资者的关注。”
该研究得到美国能源部和美国国家科学基金会的支持。
本文与 MIT News合作发表。刊发本文并不意味着世界经济论坛认同文中观点。
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作者：David L. Chandler，为 MIT News 撰稿。
图片：2014年8月5日，德国东北部城镇卢布明附近，已退役的格赖夫斯瓦尔德核电站6号机组内可见阀门。路透社/托马斯·彼得（Thomas Peter）。
