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European fusion reactor sets record for sustained energy

The Joint European Torus produced a record 59 megajoules of energy over 5 seconds. CHRISTOPHER ROUX (CEA-IRFM)/CC BY

https://www.science.org/content/article/european-fusion-reactor-sets-record-sustained-energy

9 FEB 2022 7:00 AM

World’s largest tokamak paves the way for ITER with a capstone run of pulses using power-producing tritium

BY DANIEL CLERY

世界上最大的聚變反應堆“聯合歐洲環 (JET)” 在運行 40 年后，終于實現重大突破，研究人員今天宣布他們打破了受控核聚變的記錄。2021 年 12 月 21 日，總部位于英國的聯合歐洲環將氫同位素氣體加熱到 1.5 億攝氏度，并保持了 5 秒鐘，同位素原子核實現了聚變，釋放出 59 兆焦耳 (MJ) 的能量——大約是相當于每小時 160 公里的速度行駛的滿載半掛卡車所具有的動能。這個能量脈沖是 JET 在25 年前創下的 22 MJ 紀錄的 2.5 倍多。普林斯頓等離子體物理實驗室 (PPPL) 主任 Steven Cowley 說：“看到它能維持整整 5 秒的高功率，真是太神奇了。”

然而，JET 的成就并不意味著聚變產生的能量可以很快注入電網。維持反應所需的能量是輸出的三倍。但這個實驗的結果讓他們對“國際熱核實驗堆” ITER 的設計充滿信心，ITER 是法國正在建造的一個巨型核聚變反應堆，預計其輸出的能量至少是輸入能量的 10 倍。ITER 科學部門負責人Alberto Loarte 表示，“這對 ITER 來說是個好消息，這有力地證實了我們戰略的正確性。”

長期以來，核聚變一直被宣傳為可持續性能源的未來。如果可以在地球上復制為太陽提供能量的同一核反應，則可以提供取之不盡、用之不竭的能源，同時只產生少量的核廢料，不產生溫室氣體。但事實證明，能量增益是很難實現的。2021 年 8 月，美國國家點火裝置實驗室的研究人員通過使用 192 束聚焦激光束加熱和粉碎微小燃料顆粒來觸發聚變，報告稱他們已經達到了這個盈虧平衡點的 71%^[1]，比任何人都近，但只是一瞬間。

與美國的點火裝置不同，JET 和 ITER 代表了另一種不同的技術路線，它是一種更適合持續能源產生的方法。JET 和 ITER 都是托卡馬克裝置：包裹在強大磁網格中的環形容器，這些磁鐵將超熱電離氣體或等離子體固定在適當的位置，并防止它接觸容器壁導致其熔化。在上世紀 80 年代，研究人員認為，能夠與 JET 或等離子體物理實驗室 PPPL（現已拆除）競爭的機器將很快實現能量增益。JET 于 1997 年已經接近平衡，實現了 1.5 秒的短爆發，輸出達到了輸入功率的三分之二。

但 JET 進一步的研究進展緩慢，促使研究人員在 1990 年代設計了 ITER，這是一個 20 米寬的巨型托卡馬克裝置，容納的等離子體是 JET 的 10 倍。按照預測的模型，更大的等離子體體積將會使熱量更難逸出，從而使聚變條件維持的時間更長。由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同出資 250 億美元建造的 ITER 將于 2025 年開始運行^[2]，希望到 2035 年實現大容量輸出，屆時將開始燃燒氫的同位素氘和氚 (D-T)，用于產生能量。

JET 的早期運行給 ITER 的設計者上了重要的一課。JET 使用碳作為內襯，因為它不易熔化。但 JET 的等離子操作專家 Fernanda Rimini 表示，事實證明，它“像海綿一樣吸收燃料”。因此 ITER 的設計者選擇了使用金屬鈹和鎢。

沒有人知道這些金屬的性能如何，JET 則是一個最合適的測試平臺。從 2006 年開始，工程師們升級了它的磁路、等離子加熱系統和內壁，使其盡可能像 ITER. 當它在 2011 年重新啟動時，當時還是卡勒姆聚變能源中心主任的 Cowley 表示，“跡象并不好，我們無法進入相同的[高能量]域”，作為歐盟 EuroFusion 機構的代表，卡勒姆聚變能源中心負責運行 JET.

JET 團隊煞費苦心地想弄清楚發生了什么。他們發現高能等離子體從襯壁上擊出鎢離子，導致能量輻射，并從等離子體中釋放熱量。多年來，該團隊制定了應對策略。通過在容器壁附近注入一層薄薄的氣體，例如氮氣、氖氣或氬氣，他們可以冷卻等離子體的外側邊緣，同時阻止離子撞擊鎢。Cowley 說， “一點一點地，我們終于修復了 JET 的表現”。

2021 年 9 月，JET 研究人員開始研究他們重新設計的機器能做什么^[3]。這意味著需要將燃料轉換為真正的氘和氚。大多數聚變反應堆使用普通氫或氘運行，這使它們能夠探索等離子體的行為，同時避免使用具有放射性且稀缺的氚。但 JET 的工作人員渴望在真實的發電條件下測試他們的機器。首先，他們必須恢復反應堆的氚處理設施，該設施已經停用了 2 年，每次實驗后從廢氣中提取未燃燒的氚和氘離子并進行回收。

試驗的成功為 ITER 奠定了基礎，表明其設計師在全金屬壁上的博弈得到了回報。Loarte 說，“這證實了我們所挑戰的風險是可控的，”但對于 JET 來說，氘和氚的運行將是一個絕唱。JET 運營負責人 Joe Milnes 表示，“我們計劃在 2022 年中期到 2023 年底，讓該反應堆再進行一次試驗，然后關閉。“這是有史以來最成功的聚變實驗，”他說，但現在是“將接力棒交給 ITER”的時候了。?

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