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英国JET托克马克实验 走到了商业核聚变的家门口
英国一家实验室打破了受控、持续聚变反应产生的能量记录。
在英国的联合欧洲环面(或 JET)实验中，在 5 秒内产生 59 兆焦耳的能量被一些新闻媒体称为“大突破”，并引起了物理学家的极大兴奋。
但关于聚变发电的一条共同路线是“永远还需要 20 年”。
JET 结果表明在理解聚变物理学方面取得了显著进步。但同样重要的是，它表明用于建造聚变反应堆内壁的新材料按预期工作。
新内壁结构的性能与以往一样出色，这一事实将这些结果与以前的里程碑区分开来，并将聚变之梦拉近了现实。
有几种不同的方法可以安全地控制地球上的聚变反应。我们的研究重点是 JET 采用的方法——使用强大的磁场来限制原子，直到它们被加热到足够高的温度以使它们融合。
当前和未来反应堆的燃料是氢的两种不同同位素——这意味着它们具有一个质子，但中子数量不同——所谓的氘和氚。普通氢的原子核中只有一个质子，没有中子。氘有一个质子和一个中子，而氚有一个质子和两个中子。
为了使聚变反应成功，燃料原子必须首先变得非常热，以至于电子从原子核中脱离出来。这会产生等离子体——正离子和电子的集合。
然后，您需要继续加热该等离子体，直到它达到超过1 亿摄氏度。然后必须将这种等离子体以高密度保持在有限空间中足够长的时间，以使燃料原子相互碰撞并融合在一起。
为了控制地球上的聚变，研究人员开发了被称为托卡马克的甜甜圈形装置，它使用磁场来容纳等离子体。环绕在甜甜圈内部的磁场线就像束缚离子和电子“火车”的铁轨。
通过向等离子体中注入能量，可以将燃料粒子加速到如此高的速度，以至于当它们碰撞时，燃料核不会相互反弹，而是融合在一起。当这种情况发生时，它们会释放能量，主要是以快速移动的中子的形式。
在聚变过程中，燃料颗粒逐渐从炽热、致密的核心漂移开，最终与聚变容器的内壁发生碰撞。
为了防止墙壁由于这些碰撞而退化——这反过来也污染了聚变燃料——建造了反应堆，以便它们将任性的粒子引导到一个称为偏滤器的重型装甲室。这会抽出转移的颗粒并带走任何多余的热量以保护托卡马克。
过去反应堆的一个主要限制是偏滤器无法在持续的粒子轰击中存活超过几秒钟。为了使聚变能在商业上发挥作用，工程师们需要建造一个托卡马克容器，它可以在聚变所需的条件下使用多年。
偏滤器壁是首要考虑因素。尽管燃料颗粒到达偏滤器时温度要低得多，但当它们与偏滤器碰撞时，它们仍然有足够的能量将原子从偏滤器的壁材料中释放出来。
以前，JET 的偏滤器有一个由石墨制成的壁，但石墨会吸收和捕获过多的燃料，无法实际使用。
大约在 2011 年，JET 的工程师将偏滤器和容器内壁升级为钨。选择钨的部分原因是它具有所有金属中最高的熔点——当偏滤器承受的热负荷可能比重新进入地球大气层的航天飞机的鼻锥高近 10 倍时，这是一个极其重要的特性。
托卡马克的内部容器壁从石墨升级为铍。铍对于聚变反应堆具有出色的热性能和机械性能——它比石墨吸收更少的燃料，但仍能承受高温。
JET 产生的能量成为头条新闻，但我们认为实际上是使用新的墙体材料才真正使实验令人印象深刻，因为未来的设备将需要这些更坚固的墙体才能以高功率运行甚至更长的时间。
JET 是如何建造下一代聚变反应堆的成功概念证明。
JET 托卡马克是目前运行的最大、最先进的磁聚变反应堆。但下一代反应堆已经在进行中，最引人注目的是 ITER 实验，将于 2027 年开始运行。
ITER——在拉丁语中意为“道路”——正在法国建设，由包括美国在内的一个国际组织资助和指导。
ITER 将利用 JET 证明可行的许多材料进步。但也有一些关键的区别。首先，ITER 规模庞大。聚变室高 11.4 米，周长19.4 米——是 JET 的八倍多。
此外，与 JET 的磁体相比，ITER 将使用能够在更长时间内产生更强磁场的超导磁体。通过这些升级，ITER 有望打破 JET 的聚变记录——无论是能量输出还是反应运行时间。
ITER 还有望为聚变动力装置的理念做一些核心工作：产生比加热燃料所需的更多能量。模型预测，ITER 将在 400 秒内连续产生约 500 兆瓦的电力，同时仅消耗 50 兆瓦的能量来加热燃料。
这意味着反应堆产生的能量是其消耗的 10 倍——与 JET 相比有了巨大的改进，后者需要大约三倍于最近 59 兆焦耳记录所产生的能量来加热燃料。
JET 最近的记录表明，多年来在等离子体物理学和材料科学方面的研究已经取得了成效，并将科学家们带到了利用聚变发电的家门口。 ITER 将为实现工业规模聚变发电厂的目标提供巨大的飞跃。
https://www.sciencealert.com/the-dream-of-nuclear-fusion-is-now-closer-to-reality-two-scientists-explain-why