59兆焦耳！歐洲聚變反應堆創可持續能源新紀錄

歐洲聯合環狀反應堆在5秒內產生了創紀錄的59兆焦耳能量。圖片來源：CHRISTOPHER ROUX (CEA-IRFM)/CC BY

　　2月9日，在世界上最大的聚變反應堆——歐洲聯合環狀反應堆(JET)的研究人員宣布：他們打破了生產可控聚變能量的記錄。

　　據《科學》報到，JET曾在1997年產生約22兆焦耳聚變能量的等離子體，創造了當時的世界能源紀錄。此次JET新記錄進行的氘氚核聚變反應，在等離子體放電的5秒階段以中子的形式釋放出總共59兆焦耳的能量，大約是滿載半掛車以160km/h行駛動能的兩倍。

　　然而，JET的成就并不意味著聚變發電將很快進入電網。研究人員必須向氣體中注入大約三倍于反應產生的能量。但這一結果讓他們對國際熱核聚變實驗堆（ITER）的設計有了信心。ITER是一個正在法國建設的巨型聚變反應堆，預計其輸出的能量至少是輸入能量的10倍。

　　長期以來，核聚變一直被視為一種未來的綠色能源。如果為太陽提供能量的核反應同樣能在地球上復制，它就能提供充足的能源，而且只產生少量的核廢料，沒有溫室氣體。但事實證明，生產凈能源很難。

　　2021年8月，美國國家點火裝置的研究人員報告稱，他們已經達到了這一平衡點的71%，比其他任何國家都更接近，但也只是一瞬間。點火裝置是用192束匯聚的激光束加熱和粉碎微小的燃料顆粒來觸發核聚變的。

　　JET和ITER代表了一種不同的方法，一種更適合于持續能源生產的方法。它們都是托卡馬克環形容器，包裹在強力磁鐵網格中，將超熱電離氣體(或等離子體)固定在某處，防止其接觸和熔化容器壁。

　　ITER是一個20米寬的巨大托卡馬克，容納的等離子體是JET的10倍。模型預測，更大的等離子體體積會使熱量更難逃逸，從而使聚變條件維持更長時間。由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共向ITER支持了250億美元，預計2025年開始運作，但不會產生大量的能量，直到2035年，當它開始燃燒能源生產氘氚(D-T)。

　　JET的早期運行給ITER的設計者們上了重要的一課。JET的等離子體操作專家Fernanda Rimini介紹，JET用碳做襯里，因為碳不易熔化。但事實證明，它“像海綿一樣吸收燃料”，因此，ITER設計者選擇使用鈹和鎢這兩種金屬。

　　然而，沒有人知道效果如何，JET提供了一個測試平臺。從2006年開始，工程師們對其磁鐵、等離子加熱系統和內壁進行了升級，使其盡可能像ITER。當它在2011年重新啟動時，跡象并不好。

　　JET團隊煞費苦心地搞清楚了這是怎么回事。他們發現高能等離子體離子將鎢離子從壁上擊碎，使它們輻射能量并從等離子體中釋放熱量。多年來，這個團隊制定了一套應對策略，通過在容器壁附近注入一層薄薄的氣體，如氮氣、氖氣或氬氣，他們可以冷卻等離子體的最外層邊緣，阻止離子撞擊鎢。

　　2021年9月，JET研究人員開始研究他們重新設計的機器能做什么。這意味著將燃料轉換為D-T。大多數聚變反應堆使用的是普通的氫或氘，這使得它們可以探索等離子體的行為，同時避免了氚的并發癥，因為氚既具有放射性，又稀有。

　　但是，JET工作人員渴望在真實的發電條件下測試機器。首先，他們必須恢復反應堆的氚處理設施，該設施已經停用了20年，每次發射后，這些設施會從廢氣中提取未燃燒的氚和氘離子，并將其回收。

　　最近JET的成功為ITER搭建了舞臺，并表明其設計者在全金屬墻上的試驗應該會有所效果。但對于JET來說，D-T的運行是某種意義上的“絕唱”。JET運營負責人Joe Milnes表示，在關閉之前，JET將從2022年年中到2023年底再進行一次試驗運行。