59兆焦耳！欧洲聚变反应堆创可持续能源新纪录

2月9日，在世界上最大的聚变反应堆——欧洲联合环状反应堆（JET）的研究人员宣布：他们打破了生产可控聚变能量的记录。

据《科学》报到，JET曾在1997年产生约22兆焦耳聚变能量的等离子体，创造了当时的世界能源纪录。此次JET新记录进行的氘氚核聚变反应，在等离子体放电的5秒阶段以中子的形式释放出总共59兆焦耳的能量，大约是满载半挂车以160km/h行驶动能的两倍。

然而，JET的成就并不意味着聚变发电将很快进入电网。研究人员必须向气体中注入大约三倍于反应产生的能量。但这一结果让他们对国际热核聚变实验堆（ITER）的设计有了信心。ITER是一个正在法国建设的巨型聚变反应堆，预计其输出的能量至少是输入能量的10倍。

长期以来，核聚变一直被视为一种未来的绿色能源。如果为太阳提供能量的核反应同样能在地球上复制，它就能提供充足的能源，而且只产生少量的核废料，没有温室气体。但事实证明，生产净能源很难。

2021年8月，美国国家点火装置的研究人员报告称，他们已经达到了这一平衡点的71%，比其他任何国家都更接近，但也只是一瞬间。点火装置是用192束汇聚的激光束加热和粉碎微小的燃料颗粒来触发核聚变的。

JET和ITER代表了一种不同的方法，一种更适合于持续能源生产的方法。它们都是托卡马克环形容器，包裹在强力磁铁网格中，将超热电离气体（或等离子体）固定在某处，防止其接触和熔化容器壁。

ITER是一个20米宽的巨大托卡马克，容纳的等离子体是JET的10倍。模型预测，更大的等离子体体积会使热量更难逃逸，从而使聚变条件维持更长时间。由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共向ITER支持了250亿美元，预计2025年开始运作，但不会产生大量的能量，直到2035年，当它开始燃烧能源生产氘氚（D-T）。

JET的早期运行给ITER的设计者们上了重要的一课。JET的等离子体操作专家Fernanda Rimini介绍，JET用碳做衬里，因为碳不易熔化。但事实证明，它“像海绵一样吸收燃料”，因此，ITER设计者选择使用铍和钨这两种金属。

然而，没有人知道效果如何，JET提供了一个测试平台。从2006年开始，工程师们对其磁铁、等离子加热系统和内壁进行了升级，使其尽可能像ITER。当它在2011年重新启动时，迹象并不好。

JET团队煞费苦心地搞清楚了这是怎么回事。他们发现高能等离子体离子将钨离子从壁上击碎，使它们辐射能量并从等离子体中释放热量。多年来，这个团队制定了一套应对策略，通过在容器壁附近注入一层薄薄的气体，如氮气、氖气或氩气，他们可以冷却等离子体的最外层边缘，阻止离子撞击钨。

2021年9月，JET研究人员开始研究他们重新设计的机器能做什么。这意味着将燃料转换为D-T。大多数聚变反应堆使用的是普通的氢或氘，这使得它们可以探索等离子体的行为，同时避免了氚的并发症，因为氚既具有放射性，又稀有。

但是，JET工作人员渴望在真实的发电条件下测试机器。首先，他们必须恢复反应堆的氚处理设施，该设施已经停用了20年，每次发射后，这些设施会从废气中提取未燃烧的氚和氘离子，并将其回收。

最近JET的成功为ITER搭建了舞台，并表明其设计者在全金属墙上的试验应该会有所效果。但对于JET来说，D-T的运行是某种意义上的“绝唱”。JET运营负责人Joe Milnes表示，在关闭之前，JET将从2022年年中到2023年底再进行一次试验运行。

来源：中国科学报