能量加倍！长达24年的核聚变纪录被打破

原文作者：Elizabeth Gibney

实验性的欧洲联合环状反应炉（Joint European Torus）已经将聚变（太阳释放能量的过程）产生的能量增加了一倍。
长达24年的核聚变纪录已被打破。2月9日，英国牛津附近欧洲联合环（JET）的科学家宣布，他们通过原子聚变产生了有史以来最高的持续能量脉冲，是他们1997年实验记录的两倍还多。

英国牛津附近的欧洲联合托卡马克反应堆是世界上最大的聚变实验（法国的国际热核聚变实验堆计划，ITER）的试验场所 | Christopher Roux (CEA-IRFM)/EUROfusion (CC BY 4.0)
“这些结果堪称里程碑，使我们在解决科学和工程一项最大挑战的道路上迈出了一大步。”Ian Chapman在一份声明中说，他是JET所在基地卡拉姆聚变能源中心（CCFE）的负责人。JET由英国原子能管理局主办（UKAEA），但其科学项目由名为欧洲核聚变研发创新联盟（EUROfusion）的欧洲合作项目管理。
如果研究人员能够利用核聚变反应（为太阳提供能量的过程）——它有望提供一种近乎无限的清洁能源。但到目前为止，还没有一项实验产生的能量能超过输入的能量。JET的研究结果并没有改变这一点，但是他们表明，后续使用相同技术和燃料混合物的聚变反应堆项目——雄心勃勃、耗资220亿美元的ITER，计划在2025年开始聚变实验——最终应该能够达到这一目标。
“JET确实实现了预测目标，同一模型如今意味着ITER能成功。”荷兰埃因霍温理工大学的核聚变物理学家Josefine Proll说，他研究的是另一种叫做仿星器的反应堆。“这是一个非常非常好的迹象，我感到十分激动。”
二十年的工作
这项实验是近二十年工作的结晶，它极有助于科学家预测ITER将如何作为，并指导其操作设置，Anne White说。她是麻省理工学院的等离子体物理学家，从事和JET一样圆环形的托卡马克反应堆研究。“在核聚变研究群体中，想必有许多人像我一样衷心地祝贺JET团队。”
JET和ITER利用磁约束托卡马克中的等离子体（一种由氢同位素组成的超热气体）。在高温和压力下，同位素聚变生成氦，以中子的形式释放能量。
为了打破能量纪录，JET使用了一种由等量氚和氘组成的燃料——这也将是驱动ITER的混合物，后者正在法国南部建设当中。氚是氢的一种稀有的放射性同位素：当它与同位素氘混合时，反应产生的中子远多于单独的氘聚变。这增大了输出的能量，但JET需经过两年多的改造，以使机器准备好应对冲击。氚上一次用于托卡马克聚变实验是在1997年，也就是JET创造上一个纪录之时。

破纪录的脉冲在JET环状内部管道中活动 | UKAEA
在2021年12月21日的一项实验中，JET的托卡马克在5秒的聚变“脉冲”中产生了59兆焦耳的能量，比1997年在4秒内释放的21.7兆焦耳的能量高出一倍多。尽管1997年的实验仍然保持着“峰值功率”的纪录，但峰值只持续了一秒的几分之一，而且实验的平均功率还不到最近这次测试的一半，CCFE的等离子体科学家Fernanda Rimini说，她管理了去年的实验活动。她说，这一改进经过了20年的实验优化，以及硬件升级，包括更换托卡马克的内壁以减少燃料浪费。
功率比
Rimini说，在数秒内产生能量对于理解等离子体内部的加热、冷却和运动至关重要，而且对ITER的运行也很关键。
五秒“很了不起”，Proll补充道。“这真的相当令人瞩目。”
去年，美国能源部的国家点火装置创造了一个不同的聚变纪录：研究者使用激光技术产生了相对于输入功率的聚变输出功率最高纪录，这是一个被称作Q的值，当其为1时意为产生与输入相同的功率。该设备的Q值达到了0.7，这是激光聚变的里程碑，打破了JET 在1997年创造的纪录。但这一事件极为短暂，只在不到40亿分之一秒的时间内产生了130万焦耳的能量。
Rimini说，JET最新的实验将Q值在0.33维持了5秒。JET是ITER的缩小版，其体积只有ITER的十分之一——就好像拿浴缸和游泳池比，Proll说。它比ITER更容易失去热量，所以没人指望它会达到收支平衡。她说，如果工程师们对ITER采用与JET相同的条件和物理方法，它或许能达到Q=10的目标，即产生10倍于投入的能量。
核聚变研究人员远没有找到所有的答案。例如，还有一个难题是处理ITER反应堆排气区产生的热量。ITER的排放面积将比JET的更大，但增加的面积与它必须处理的功率激增不成比例。Proll说，目前正在研究哪种设计最能承受高温，但研究人员离这个目标还有距离。
JET的破纪录运行是在为期5个月活动的最后一天，Rimini说科学家们从中收集了大量信息，将在未来几年内进行分析。最后的实验将该设备推到了“绝对的最大值”，Rimini补充说，她实时见证了这一里程碑式的测试。“我们没有跳上跳下互相拥抱——我们之间有两米距离——但这太让人激动了。”
氚实验可能是JET的最后一站。去年，EUROfusion决定在2023年底结束JET的运行，距离JET开始工作时已有40年。UKAEA已经表示，他们计划停止这项实验；JET的硬件和操作专业知识将在那里的其他项目中找到归宿。
原文以Nuclear-fusion reactor smashes energy record为标题发表在2022年2月9日《自然》的新闻版块上
© nature
doi: 10.1038/d41586-022-00391-1
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