田納西大學(xué)核工程副教授David Donovan和Livia Casali研究如何發(fā)展受控核聚變以達(dá)到發(fā)電的目的。

JET的結(jié)果表明，在對核聚變物理學(xué)的理解方面取得了顯著進(jìn)展。但同樣重要的是，它表明用于建造核聚變反應(yīng)堆內(nèi)壁的新材料按預(yù)期工作。新墻體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)得如此之好，是這些成果與以往里程碑式的成果的區(qū)別，并將磁聚變從一個夢想提升到了現(xiàn)實。

核聚變是將兩個原子核聚合成一個復(fù)合核。然后這個原子核破裂，以新原子和粒子的形式釋放能量，并從反應(yīng)中加速離開。一個核聚變發(fā)電廠將捕獲逃逸的粒子，并利用它們的能量來發(fā)電。

在地球上有幾種不同的方法來安全控制核聚變。 Donovan和Casali的研究重點(diǎn)是JET采取的方法--使用強(qiáng)大的磁場來限制原子，直到它們被加熱到足夠高的溫度，使它們?nèi)诤稀?/p>

目前和未來反應(yīng)堆的燃料是兩種不同的氫同位素--意味著它們有一個質(zhì)子，但中子的數(shù)量不同--稱為氘和氚。正常的氫在其核內(nèi)有一個質(zhì)子，沒有中子。氘有一個質(zhì)子和一個中子，而氚有一個質(zhì)子和兩個中子。

為使核聚變反應(yīng)成功，燃料原子必須首先變得如此之熱，以至于電子從原子核中掙脫出來。這就產(chǎn)生了等離子體--正離子和電子的集合。然后需要不斷加熱該等離子體，直到它達(dá)到超過1億攝氏度的溫度。然后，這個等離子體必須在一個密閉的空間內(nèi)以高密度保持足夠長的時間，以便燃料原子相互碰撞并融合在一起。

為了控制地球上的核聚變，研究人員開發(fā)了甜甜圈形狀的裝置--稱為托卡馬克--利用磁場來控制等離子體。纏繞在“甜甜圈”內(nèi)部的磁場線就像火車軌道一樣，離子和電子沿著它“行駛”。通過向等離子體注入能量并將其加熱，有可能將燃料粒子加速到如此高的速度，以至于當(dāng)它們碰撞時，燃料核不是相互彈開，而是融合在一起。當(dāng)這種情況發(fā)生時，它們會釋放能量，主要是以快速移動的中子的形式。

在核聚變過程中，燃料粒子逐漸漂離熱而密集的核心，最終與核聚變?nèi)萜鞯膬?nèi)壁相撞。為了防止內(nèi)壁因這些碰撞而退化--這反過來也會污染核聚變?nèi)剂?-反應(yīng)堆的建造方式是，它們將偏離的粒子引向一個稱為分流器的重裝甲室。這將抽出被轉(zhuǎn)移的粒子，并消除任何多余的熱量以保護(hù)托卡馬克。

過去的反應(yīng)堆的一個主要限制是，轉(zhuǎn)移器無法在持續(xù)的粒子轟擊中生存超過幾秒鐘。為了使核聚變發(fā)電在商業(yè)上發(fā)揮作用，工程師們需要建造一個托卡馬克容器，它能夠在核聚變所需的條件下生存多年。

偏濾器壁是第一個考慮因素。盡管燃料粒子在到達(dá)偏濾器時要冷得多，但當(dāng)它們與偏濾器的壁材料碰撞時，它們?nèi)匀挥凶銐虻哪芰繉⒃幼菜?。以前，JET的偏濾器有一個由石墨制成的壁，但石墨吸收和捕獲了太多的燃料，無法實際使用。

2011年左右，JET的工程師將偏濾器和內(nèi)容器壁升級為鎢。選擇鎢的部分原因是它具有所有金屬中最高的熔點(diǎn)--當(dāng)偏濾器可能經(jīng)歷的熱負(fù)荷比重新進(jìn)入地球大氣層的航天飛機(jī)鼻錐高近10倍時，這是一個極其重要的特性。托卡馬克的內(nèi)容器壁從石墨升級到了鈹。對于聚變反應(yīng)堆來說，鈹具有出色的熱和機(jī)械性能--它比石墨吸收的燃料更少，但仍能承受高溫。

JET產(chǎn)生的能量成為頭條新聞，但研究人員認(rèn)為，事實上是新壁材料的使用使該實驗真正令人印象深刻，因為未來的設(shè)備將需要這些更堅固的壁來在高功率下運(yùn)行更長時間。JET是對如何建造下一代聚變反應(yīng)堆的一個成功的概念證明。

下一個聚變反應(yīng)堆

JET托卡馬克是目前運(yùn)行的最大和最先進(jìn)的磁聚變反應(yīng)堆。但是下一代反應(yīng)堆已經(jīng)在進(jìn)行中，最引人注目的是ITER實驗，它將于2027年開始運(yùn)行。ITER--在拉丁語中是"道路"的意思--正在法國建造，由包括美國在內(nèi)的一個國際組織資助和指導(dǎo)。

ITER將把JET所顯示的許多可行的材料進(jìn)展投入使用。但也有一些關(guān)鍵的區(qū)別。首先，ITER是巨大的。核聚變室高37英尺（11.4米），周圍63英尺（19.4米）--比JET大8倍以上。此外，ITER將利用超導(dǎo)磁體，與JET的磁體相比，能夠在更長時間內(nèi)產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場。通過這些升級，ITER有望打破JET的核聚變記錄--無論是能量輸出還是反應(yīng)運(yùn)行的時間。

ITER還有望完成核聚變發(fā)電站理念的核心工作：產(chǎn)生的能量超過加熱燃料所需的能量。模型預(yù)測，ITER將在400秒內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生約500兆瓦的能量，而只消耗50兆瓦的能量來加熱燃料。這意味著反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量是其消耗的能量的10倍--與JET相比是一個巨大的進(jìn)步，JET需要大約三倍于其最近的59兆焦耳記錄的能量來加熱燃料。

JET最近的記錄表明，多年來在等離子體物理學(xué)和材料科學(xué)方面的研究已經(jīng)得到了回報，并將科學(xué)家?guī)У搅死煤司圩儼l(fā)電的門口。ITER將為實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模核聚變電站的目標(biāo)提供一個巨大的飛躍。