59兆焦耳！核聚變能輸出新紀(jì)錄

2022年2月9日，歐洲聯(lián)合核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（JET）的研究人員宣布，他們打破了生產(chǎn)可控聚變能量的紀(jì)錄。

據(jù)《科學(xué)》報(bào)道，JET曾在1997年產(chǎn)生約22 MJ聚變能量，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的世界能源紀(jì)錄。此次JET在持續(xù)5 s的核聚變實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生總共59 MJ的能量，大約是滿(mǎn)載半掛車(chē)以160 km/h行駛的動(dòng)能的兩倍，大幅刷新其此前創(chuàng)造的紀(jì)錄。

然而，JET刷新紀(jì)錄并不意味著聚變發(fā)電將很快進(jìn)入電網(wǎng)，因?yàn)檠芯咳藛T必須向反應(yīng)氣體中輸入大約3倍于反應(yīng)產(chǎn)生的能量。但這一結(jié)果讓他們對(duì)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的設(shè)計(jì)更有信心。ITER是一個(gè)正在法國(guó)建設(shè)的巨型聚變反應(yīng)堆，預(yù)計(jì)其輸出能量至少是輸入能量的10倍。

長(zhǎng)期以來(lái)，核聚變一直被視為一種未來(lái)綠色能源。但事實(shí)證明，生產(chǎn)凈能很難。比如，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置通過(guò)192束匯聚的激光束加熱和粉碎微小燃料顆粒來(lái)觸發(fā)核聚變。

但JET和ITER代表了一種不同的方法，一種更適合于可持續(xù)能源生產(chǎn)的方法。它們都是托卡馬克裝置—— 一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形裝置。

ITER是一個(gè)20 m寬的巨大托卡馬克裝置，容納的等離子體是JET的10倍。模型預(yù)測(cè)，更大的等離子體體積會(huì)使熱量更難逃逸，從而使聚變條件維持更長(zhǎng)時(shí)間。由中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)出資250億美元建設(shè)的ITER預(yù)計(jì)2025年開(kāi)始運(yùn)作，要到2035年才能產(chǎn)生大量能量，屆時(shí)它將通過(guò)燃燒同位素氘和氚（D-T）產(chǎn)生能量。

JET的早期運(yùn)行給ITER的設(shè)計(jì)者們上了重要一課。JET的等離子體操作專(zhuān)家Fernanda Rimini介紹，JET用碳做襯里，因?yàn)樘疾灰兹刍５聦?shí)證明，它“像海綿一樣吸收燃料”，因此，ITER設(shè)計(jì)者用鈹和鎢這兩種金屬代替。

然而，沒(méi)有人知道效果如何。這時(shí)JET成為了一個(gè)很好的測(cè)試平臺(tái)。從2006年開(kāi)始，工程師們對(duì)其磁鐵、等離子加熱系統(tǒng)和內(nèi)壁進(jìn)行了升級(jí)，使其盡可能接近ITER。當(dāng)它在2011年重新啟動(dòng)時(shí)，效果并不理想。

JET團(tuán)隊(duì)煞費(fèi)苦心地搞清楚了效果差的原因。他們發(fā)現(xiàn)高能等離子體將鎢離子從內(nèi)壁擊落，使它們輻射能量并使等離子體釋放熱量。經(jīng)過(guò)研究，團(tuán)隊(duì)制定了一套應(yīng)對(duì)策略，通過(guò)在容器壁附近注入一層薄薄的氣體，如氮?dú)?、氖氣或氬氣，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(kāi)始研究測(cè)試重新設(shè)計(jì)改造后的裝置能做什么。他們將燃料轉(zhuǎn)換為D-T。要想在真實(shí)的發(fā)電條件下進(jìn)行裝置測(cè)試，首先，他們必須恢復(fù)反應(yīng)堆的氚處理設(shè)施。當(dāng)時(shí)該設(shè)施已經(jīng)停用了20年。這些設(shè)施會(huì)從廢氣中提取未燃燒的氚和氘離子，并將其回收。

此次JET取得的成功為ITER鋪平了道路，表明其設(shè)計(jì)者在金屬選擇中的替換應(yīng)該會(huì)有效果。但用D-T燃料運(yùn)行某種意義上對(duì)于JET來(lái)說(shuō)是“絕唱”。JET運(yùn)營(yíng)負(fù)責(zé)人Joe Milnes表示，在關(guān)閉前，JET將從2022年年中到2023年底再進(jìn)行一次試驗(yàn)運(yùn)行。