 European fusion reactor sets record for sustained energy
The Joint European Torus produced a record 59 megajoules of energy over 5 seconds. CHRISTOPHER ROUX (CEA-IRFM)/CC BY https://www./content/article/european-fusion-reactor-sets-record-sustained-energy 9 FEB 2022 7:00 AM World’s largest tokamak paves the way for ITER with a capstone run of pulses using power-producing tritium BY DANIEL CLERY 世界上最大的聚变反应堆“联合欧洲环 (JET)” 在运行 40 年后，终于实现重大突破，研究人员今天宣布他们打破了受控核聚变的记录。2021 年 12 月 21 日，总部位于英国的联合欧洲环将氢同位素气体加热到 1.5 亿摄氏度，并保持了 5 秒钟，同位素原子核实现了聚变，释放出 59 兆焦耳 (MJ) 的能量——大约是相当于每小时 160 公里的速度行驶的满载半挂卡车所具有的动能。这个能量脉冲是 JET 在25 年前创下的 22 MJ 纪录的 2.5 倍多。普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 主任 Steven Cowley 说：“看到它能维持整整 5 秒的高功率，真是太神奇了。” 然而，JET 的成就并不意味着聚变产生的能量可以很快注入电网。维持反应所需的能量是输出的三倍。但这个实验的结果让他们对“国际热核实验堆” ITER 的设计充满信心，ITER 是法国正在建造的一个巨型核聚变反应堆，预计其输出的能量至少是输入能量的 10 倍。ITER 科学部门负责人Alberto Loarte 表示，“这对 ITER 来说是个好消息，这有力地证实了我们战略的正确性。” 长期以来，核聚变一直被宣传为可持续性能源的未来。如果可以在地球上复制为太阳提供能量的同一核反应，则可以提供取之不尽、用之不竭的能源，同时只产生少量的核废料，不产生温室气体。但事实证明，能量增益是很难实现的。2021 年 8 月，美国国家点火装置实验室的研究人员通过使用 192 束聚焦激光束加热和粉碎微小燃料颗粒来触发聚变，报告称他们已经达到了这个盈亏平衡点的 71%[1]，比任何人都近，但只是一瞬间。 与美国的点火装置不同，JET 和 ITER 代表了另一种不同的技术路线，它是一种更适合持续能源产生的方法。JET 和 ITER 都是托卡马克装置：包裹在强大磁网格中的环形容器，这些磁铁将超热电离气体或等离子体固定在适当的位置，并防止它接触容器壁导致其熔化。在上世纪 80 年代，研究人员认为，能够与 JET 或等离子体物理实验室 PPPL（现已拆除）竞争的机器将很快实现能量增益。JET 于 1997 年已经接近平衡，实现了 1.5 秒的短爆发，输出达到了输入功率的三分之二。 但 JET 进一步的研究进展缓慢，促使研究人员在 1990 年代设计了 ITER，这是一个 20 米宽的巨型托卡马克装置，容纳的等离子体是 JET 的 10 倍。按照预测的模型，更大的等离子体体积将会使热量更难逸出，从而使聚变条件维持的时间更长。由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同出资 250 亿美元建造的 ITER 将于 2025 年开始运行[2]，希望到 2035 年实现大容量输出，届时将开始燃烧氢的同位素氘和氚 (D-T)，用于产生能量。 JET 的早期运行给 ITER 的设计者上了重要的一课。JET 使用碳作为内衬，因为它不易熔化。但 JET 的等离子操作专家 Fernanda Rimini 表示，事实证明，它“像海绵一样吸收燃料”。因此 ITER 的设计者选择了使用金属铍和钨。 没有人知道这些金属的性能如何，JET 则是一个最合适的测试平台。从 2006 年开始，工程师们升级了它的磁路、等离子加热系统和内壁，使其尽可能像 ITER. 当它在 2011 年重新启动时，当时还是卡勒姆聚变能源中心主任的 Cowley 表示，“迹象并不好，我们无法进入相同的[高能量]域”，作为欧盟 EuroFusion 机构的代表，卡勒姆聚变能源中心负责运行 JET. JET 团队煞费苦心地想弄清楚发生了什么。他们发现高能等离子体从衬壁上击出钨离子，导致能量辐射，并从等离子体中释放热量。多年来，该团队制定了应对策略。通过在容器壁附近注入一层薄薄的气体，例如氮气、氖气或氩气，他们可以冷却等离子体的外侧边缘，同时阻止离子撞击钨。Cowley 说， “一点一点地，我们终于修复了 JET 的表现”。 2021 年 9 月，JET 研究人员开始研究他们重新设计的机器能做什么[3]。这意味着需要将燃料转换为真正的氘和氚。大多数聚变反应堆使用普通氢或氘运行，这使它们能够探索等离子体的行为，同时避免使用具有放射性且稀缺的氚。但 JET 的工作人员渴望在真实的发电条件下测试他们的机器。首先，他们必须恢复反应堆的氚处理设施，该设施已经停用了 2 年，每次实验后从废气中提取未燃烧的氚和氘离子并进行回收。 试验的成功为 ITER 奠定了基础，表明其设计师在全金属壁上的博弈得到了回报。Loarte 说，“这证实了我们所挑战的风险是可控的，”但对于 JET 来说，氘和氚的运行将是一个绝唱。JET 运营负责人 Joe Milnes 表示，“我们计划在 2022 年中期到 2023 年底，让该反应堆再进行一次试验，然后关闭。“这是有史以来最成功的聚变实验，”他说，但现在是“将接力棒交给 ITER”的时候了。∎ 外部链接：
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