|
自然新闻文章
新闻ˌ消息
2024年1月22日
先驱核聚变反应堆关闭:科学家将学到什么
英国牛津附近的联合欧洲环——ITER的试验台——的退役将持续到2040年，并进行详细研究。
伊丽莎白·吉布尼 带有远程处理抓手的喷射真空容器内部视图。
欧洲联合圆环内部空腔内衬的金属瓦受到氚辐射，氚是氢的放射性同位素。致谢:CEA-IRFM/EUROfusion/ZUMA新闻网/Shutterstock
在世界上最重要的核聚变反应堆之一开始运行40年后，科学家们开始将其退役。研究人员将以前所未有的详细程度研究英国牛津附近拆除联合欧洲环形电站（JET）的17年过程，并利用这些知识确保未来的聚变发电厂是安全和经济可行的。
监管JET的英国原子能管理局（UKAEA）退役事务负责人罗布·白金汉表示:“我们开始认真考虑核聚变发电厂的问题。”“这意味着要考虑整个植物生命周期。“
利用原子聚变——为太阳提供能量的过程——可以为人类提供近乎无限的清洁能源。为发电厂的核聚变创造条件并开发由此产生的能源将需要复杂的工程，这还没有得到证实，这意味着商业化的核聚变发电仍需几十年的时间。
但是，随着人们对核聚变越来越兴奋，研究人员正在推进第一批商用反应堆的设计。2022年，JET打破了核聚变产生的能量记录。位于加利福尼亚州利弗莫尔的美国国家点火装置（NIF）——美国的旗舰核聚变装置——现在通常从核聚变反应中产生的能量超过投入的能量。NIF的计算不包括运行该设施的全部能源需求，聚变工厂需要超过这些需求才能真正“收支平衡”，但物理学家们庆祝了这些里程碑。
燃料残余物
JET之所以重要，是因为该设施是ITER的一个试验台，这是一个耗资220亿美元的聚变反应堆，正在法国圣保罗-勒兹-杜兰斯附近建造，旨在证明核聚变作为21世纪30年代能源的可行性。Jet已经决定用什么材料建造ITER以及使用什么燃料，它对预测更大的实验将如何进行至关重要。
退役飞机场地最棘手的部分将是处理其放射性成分。与驱动当今核反应堆的核裂变不同，核聚变过程不会在数千年内留下放射性废物。但是JET是世界范围内使用大量氚（氢的放射性同位素）的极少数实验之一。氚将在包括ITER在内的未来聚变工厂中用作燃料，它的半衰期为12.3年，其辐射以及聚变过程中释放的高能粒子可使部件在几十年内具有放射性。
剑桥麻省理工学院的等离子体物理学家安妮·怀特说，停止核聚变实验并不一定意味着“把视线范围内的一切都夷为平地，并且长时间不让任何人靠近该场所”。相反，工程师的首要任务将是重复使用和回收零件。白金汉说，这将包括尽可能去除氚。这降低了放射性，并允许氚作为燃料重新使用。“这种稀缺资源的可持续回收利用具有经济意义，”他说。 位于法国南部圣保罗-勒兹-杜兰斯的ITER托卡马克建筑工地上的托卡马克坑。
世界上最大的核聚变实验——ITER的托卡马克坑正在法国南部建造。供稿:新华网/Shutterstock
最终，物理学家将利用从JET退役中获得的知识来改进他们如何将回收利用嵌入球形托卡马克能源生产（STEP）的设计中，这是英国正在计划的一个商业反应堆原型。他说，这些信息还将影响未来的监管。放射性甜甜圈
杰特和ITER都是“托卡马克”反应堆，将气体限制在甜甜圈状的空腔中。JET使用磁铁挤压比太阳热十倍的氢同位素等离子体，直到原子核融合。核聚变界上一次停用类似设备是在1997年，当时位于新泽西州普林斯顿等离子体物理实验室的托卡马克聚变试验反应堆关闭。许多部分，如向反应堆注入热气体束的设备，以及场地本身都被重新利用。但是托卡马克必须用混凝土填充、切割和掩埋。
喷气科学家希望留下很少的废物。白金汉说，主要的挑战是了解氚在哪里，并从材料中去除氚，包括从托卡马克内部的金属瓦上去除氚。JET工程师将使用新翻新的机器人系统移除样品瓷砖进行分析。他们将使用遥控激光来测量留在实验中的样品中氚的含量。白金汉说，像氢一样，氚是一种“穿透所有材料的气体，我们需要知道氚到底穿透了多深”。
JET今年的研究将恢复和分析60块墙砖——4000多个部件中的第一块。“我们可以利用这些信息从实验室规模的研究转向工业规模的过程，以消除未来几年将从JET中清除的数吨瓷砖和组件，”他说。
破坏性国家
为了从金属中提取氚，工程师将在炉中加热组件，然后在水中捕获释放的同位素。氚可以从水中去除并转化为燃料；剩余材料成为低级别废物，与大学和医院产生的放射性废物的分类相同。包括树脂和塑料在内的其他材料正在测试这一工艺的变体。
JET的研究人员正在探索如何处理低放射性废物以及更少量的中等放射性废物——在这些废物中，核衰变发生得更频繁。这些遗骸的选择包括重新处理废物，将其转移到特殊的处理场所或储存起来，直到其衰变到较低的放射性水平。JET的一些未受影响的部分，如诊断和测试设备，已经在法国、意大利和加拿大的聚变实验中重新使用。
在去年12月的最后实验中，JET大获成功。科学家们探索了以一种可能更容易限制热量的方式逆转等离子体的形状。他们还通过发射高能“失控”电子束（等离子体破裂时产生）猛撞反应堆内壁来故意损坏设施。
“打开机器后，对损坏的分析将提供有用的数据来测试详细的预测，”JET科学项目负责人Joelle Mailloux说。
https:///10.1038/d41586-024-00135-3
|
