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全球最大核聚变实验将启动燃料测试

来源:Nature Portfolio

欧洲联合环状反应堆(JET)将执行一系列氘氚核聚变实验,这是未来大型聚变实验前的一次重要彩排。 

位于英国的一座尖端反应堆正在筹备核聚变混合燃料的关键性测试,这种燃料将最终点燃“国际热核聚变实验堆”(ITER)——全球规模最大的核聚变项目。太阳释放的能量即来自核聚变反应,如果物理学家可以在地球上驾驭它,它将成为取之不尽、用之不竭的能源。

JET研究人员于去年12月开始用氚(氢的一种稀有放射性同位素)进行核聚变实验。JET 反应堆是参照价值220亿美元的ITER计划、按1:10体积比建造的模型,它也采用了目前世界上最先进的核聚变落地方案——甜甜圈形状的托卡马克式设计。这是自1997年以来科学家们第一次在托卡马克环里用显著量的氚进行实验。 

今年6月JET将启动等比例氘氚混合物聚变实验(氚是氢的另一种同位素)。ITER计划正是寄望于用这种混合燃料实现史无前例的聚变反应,实现能量输出大于输入。反应堆需要加热并约束氘氚混合等离子体,直到这些同位素聚合为氦时释放的热量能维持聚变反应。 

“这些年一直在准备的事情终于到了实战节点,真是令人兴奋,”JET课题组领队之一Joelle Mailloux说,“我们准备就绪了。” 

试运行

JET的实验将帮助科学家们预测ITER的托卡马克会遇到的各种情况,以便更为精准地设定后期大型实验的运行参数。ITER首席科学家Tim Luce介绍说,“以目前的装备来看,这是最接近ITER状态的实验。”他说这些实验是约20年奋斗的成果。ITER位于法国卡达拉舍附近,它将于2025年启动低能量氢核反应。但从2035年开始它将开始使用1:1比例的氘氚混合燃料。 

JET隶属于英国牛津附近的卡拉姆聚变能研究中心(CCFE)。ITER和JET都是通过极强的磁场将等离子体束缚在环状轨道中并加热至引发核聚变。JET工作温度可以达到1亿度,数倍于太阳核心温度。 

全球上一次用氚进行托卡马克核聚变实验的地方也是JET。当时的目标是打破能量峰值纪录,最终其能量输出输入比(Q值)成功突破了0.67。该纪录保持至今,Q值达到1意味着能量收支平衡。而今年的目标是将量级相当的聚变能量维持5秒或更长时间,以获取尽可能多的数据并理解维持时间更长的等离子体的行为。 

使用氚的难度很大——JET研究人员花费了两年多时间更换设备零部件以准备好应对放射性物质。这种同位素衰减很快,只以极微量存在于自然界,常规来源是核裂变反应堆的附产品,其全球产能仅有20公斤。 

氚难以处理的部分原因在于:相比纯氘的反应,氘氚混合物反应的中子生成率要高得多。商用反应堆捕获这些中子的能量来产生电能。但对于JET,这些高能粒子会持续轰炸设备内壁并损坏检测系统。CCFE领队Ian Chapman说,这意味着JET团队不得不为摄像头等仪器增设坚固的保护罩。 

Chapman说“我们需要更新或重新设计每个流程”,从如何存储到如何操作都要重来。一旦氚燃料实验开始,中子轰炸会导致设施内部区域具有放射性,其后18个月不能有任何人进入。Chapman告诉我们,项目成员必须适应类似于航天工程师的思维方式:“你没法置身现场解决问题,它必须一键启动到位。” 

分批注入的氚

此次JET会注入不到60克的氚并加以回收利用。托卡马克里每天会将1克氚按3到14次分批注入混合燃料。Mailloux说,每次加注都是一次不同参数的实验,会产生3到10秒的有用数据。“我们希望用得到的物理信息来验证已有的认知,再据此准备后期设备。”她说。 

某些实验只使用氚,另一些实验则使用氘氚的等比例混合物。两种实验都很重要,因为该项目的一个关键目标是理解氚的较大质量如何影响等离子体的行为(氚核有两个中子,氘有一个而氢没有)。这将帮助预测在ITER中使用不同同位素的效果。同位素的质量会影响达到“等离子体约束”状态所需的磁场、电流、外部热源等条件。(等离子体约束状态下,高能粒子被束缚在电离气体中,这对于维持等离子体温度至关重要)。麻省理工学院的Anne White说:“我们想要理解这些影响和它背后的原因。” 

与1997年实验的另一个主要区别是,JET内部用以保护设备免遭热辐射和中子轰炸、吸收等离子体中杂质的材料被更换成了和ITER一致的设计。由于这些材料也会反向辐射到等离子体中并引起冷却,所以了解它们如何影响聚变过程至关重要。 

Chapman说新生代聚变物理学家从没有和氚打过交道,这让本次实验的运行显得格外重要。“这次的实验非常重要,人们都在等着看呢。”Luce补充道。

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