CFS发表ARC聚变电站基础论文验证设计
摘要
Commonwealth Fusion Systems发表五篇ARC聚变电站物理学基础论文，论证了向电网持续输送400兆瓦净电力的科学可行性。论文由麻省理工学院等机构58位科学家合著，验证了托卡马克设计的科学基础。CFS计划在2030年代初在弗吉尼亚州建造首个ARC聚变电站，已申请接入PJM电网并获谷歌购电协议支持。公司正在推进SPARC原型机以完善最终设计。
Commonwealth Fusion Systems (CFS) 于6月4日宣布，该公司已发表五篇经过同行评审的物理学基础论文，详细介绍了其团队关于ARC聚变电站的工作。这些论文发表在一期《等离子体物理学杂志》特刊上，由世界顶尖物理学家团队合作撰写。CFS表示，这些论文“对ARC电站的科学基础进行了深入探讨，并证实了使ARC能够持续向电网输送400兆瓦净电力的关键物理学原理。”
CFS公司ARC概念设计首席工程师、特刊客座编辑Alex Creely表示：“通过发表这些论文，CFS及其合作伙伴已经证明，如果我们按照既定计划建造ARC托卡马克和电站，它将能够运行。我们已经证明ARC聚变电站的设计建立在经过验证的物理学基础上；我们指出了仍将从SPARC中学习的内容；并且展示了向电网输送400兆瓦清洁、稳定、基荷电力的可靠路径。”
总部位于马萨诸塞州的CFS在今年4月成为美国首家申请加入主要电网运营商的聚变能源公司。该公司于4月28日表示，已提交申请，将其ARC电站接入全国最大的电力批发市场PJM Interconnection。
CFS在过去几年中宣布了多项里程碑事件。该公司在1月表示，将与芯片制造商英伟达(NVIDIA)和能源技术集团西门子合作开发其SPARC聚变机的数字孪生。去年10月，该集团完成了SPARC真空容器前半部分的交付，这是其托卡马克机的核心部件，已运抵位于马萨诸塞州Devens的公司设施。
Devens园区既是SPARC设施的所在地，也是公司的磁体工厂，CFS在此制造SPARC聚变机关键的超导磁体。
CFS今年早些时候表示，有望在21世纪30年代初实现聚变能源向电网供电。该电力将来自该公司计划在弗吉尼亚州Chesterfield县建设的400兆瓦Fall Line聚变电站（图1和图2）。
[图片：1. Commonwealth Fusion Systems计划在21世纪30年代初开始运营其首个ARC聚变电站所在的Fall Line聚变电站。此图示显示了弗吉尼亚州Chesterfield县该设施的地面视图。来源：Commonwealth Fusion Systems]
[图片：2. 这是计划中的Fall Line聚变电站的鸟瞰图。来源：Commonwealth Fusion Systems]
麻省理工学院、哥伦比亚大学科学家参与合著
发表在《等离子体物理学杂志》上的论文由58位科学家合著。其中大多数来自大学，包括麻省理工学院(MIT)、哥伦比亚大学、加州大学圣地亚哥分校、瑞典皇家理工学院(KTH Royal Institute of Technology)和查尔默斯理工大学。论文还包括来自全球研究机构德国马普等离子体物理研究所的内容。
CFS周四表示，最近的论文涵盖了以下主题：
概述部分描述了托卡马克的整体特性。并总结了其他四篇论文在聚变功率产生和等离子体稳定性等领域的关键要点。该公司表示，相关论文深入探讨了ARC电站的具体物理学主题（图3），包括等离子体本身行为的细节，以及处理等离子体破裂的策略。还包含关于如何通过等离子体排出聚变热的信息。
ARC物理学基础论文建立在CFS于2020年发表的关于SPARC的原始七篇论文之上。其中描述SPARC的概述论文仍然是《等离子体物理学杂志》阅读量最高的研究论文。
[图片：3. 此图示展示了Commonwealth Fusion Systems的ARC聚变电站设计。这种称为托卡马克的环形机器使用强大的磁体来约束和控制称为等离子体的高能氢原子核云。当加热到约1亿摄氏度时，这些粒子发生聚变，释放出巨大的能量，这些能量被捕获为热能并转化为电能。CFS将在弗吉尼亚州Chesterfield县的Fall Line聚变电站建造其首个ARC电站。来源：Commonwealth Fusion Systems]
该公司周四写道，其团队“使用先进的计算工具，将全球托卡马克数十年来的经验研究成果与工程和商业优先事项结合到一个物理学仿真框架中。通过这些仿真，团队确定ARC电站将能够产生约1.1吉瓦的聚变功率，然后将其转化为400兆瓦的持续净电力。”
“这些论文验证并降低了我们所采取的商用聚变方法的风险，增加了我们对在21世纪30年代初将电力接入电网这一科学上稳健路径的信心，”CFS首席执行官兼联合创始人Bob Mumgaard表示。Mumgaard曾于2020年接受POWER专访。“同行评审研究为在聚变领域宝贵资源的投资方向和方式设定了标准。ARC物理学基础论文代表了托卡马克电站分析的深度和广度上的一次进步。它们认真对待挑战，识别风险所在，并展示了如何利用SPARC来最终确定ARC电站的设计。”Mumgaard还曾在2020年10月作为嘉宾参加POWER Podcast。
公私合作伙伴关系
CFS写道，该公司的工作“得到了日益增长的公私合作伙伴关系和计划的支持，包括美国能源部的基于里程碑的聚变发展计划。发表这些同行评审论文展示了ARC电站如何与已知物理学原理相符，以及CFS及其合作伙伴如何开发了进一步完善其设计的工具。”
“我们很期待开始运行SPARC，以便能够利用SPARC与电站在运行上的相似性，完成ARC设计的收尾工作，”CFS联合创始人兼首席科学官Brandon Sorbom表示。