自清潔能源和核電能源之后，“核聚變” 近日也成了熱門的話題，源于歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（JET），將在今年 6 月份，進(jìn)行氘氚核聚變實(shí)驗(yàn)。
圖 | JET 的研究（來源：euro-fusion）
簡單來說，核聚變反應(yīng)是一種產(chǎn)生能量的方式。太陽釋放的能量就是核聚變反應(yīng)，人們現(xiàn)在所使用的能源，大部分是太陽在歷史時(shí)期和現(xiàn)在釋放的能量。如果物理學(xué)家能夠掌握核聚變反應(yīng)的方法，在地球上制造幾個(gè) “小太陽”，那么地球上的資源將取之不盡，用之不竭。
就今年 6 月份即將到來的 JET 實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒@一問題，科學(xué)家和大眾投入了許多目光。國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）耗資高達(dá) 220 億美元，全球 40 多個(gè)國家參與，而 JET 是迷你版的 ITER 計(jì)劃。
雖然 JET 的建造早于 ITER, 不過這一輪的升級(jí)改造中，效仿了很多 ITER 裝置的先進(jìn)設(shè)計(jì)。但其體積只有 ITER 計(jì)劃體積的 1/10，它采用托卡馬克式設(shè)計(jì)，也是迄今為止、全世界范圍內(nèi)，最先進(jìn)的核聚變落地方案。
為了解科學(xué)家們的觀點(diǎn)，以此讓大眾對未來能源產(chǎn)生方式有更正確、更深刻的認(rèn)知，DeepTech 采訪了 3 位領(lǐng)域內(nèi)的青年研究學(xué)者。這些青年學(xué)者，有的本身就在 ITER 計(jì)劃項(xiàng)目組工作，有的在讀博期間曾參與過 ITER 計(jì)劃，有的是能源領(lǐng)域的學(xué)者，但他們的研究領(lǐng)域都與新能源相關(guān)。
根據(jù)訪談結(jié)果，3 位青年學(xué)者都期待今年 6 月份，因?yàn)橐咔槎雍蟮?JET 實(shí)驗(yàn)，都持積極的支持態(tài)度，認(rèn)為 “只要 JET 實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，不管最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何，都是人類在核聚變領(lǐng)域的一次重大進(jìn)步。”
圖 | 龐大、精密、復(fù)雜的 ITER 一拖再拖，反復(fù)跳票（來源：Oak Ridge National Laboratory）
關(guān)于 JET 實(shí)驗(yàn)和 ITER 計(jì)劃的關(guān)系，科學(xué)家和學(xué)者們都認(rèn)為，JET 實(shí)驗(yàn)是 ITER 計(jì)劃啟動(dòng)之前的彩排，而這也是十分必要的。因?yàn)?ITER 計(jì)劃是多國合作、造價(jià)高昂的國際性大項(xiàng)目，為保險(xiǎn)起見，更為 ITER 計(jì)劃能夠順利進(jìn)行，提前進(jìn)行 JET 實(shí)驗(yàn)是必不可少的。
此外，科學(xué)家們對 JET 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)十分期待。十幾年前，研究核聚變的科學(xué)家們，曾做過氘-氚（D-T）核聚變實(shí)驗(yàn)，他們希望這次的數(shù)據(jù)比上一次要好，只要達(dá)到這一點(diǎn)，JET 實(shí)驗(yàn)就是成功的。
卡拉姆聚變能研究中心（CCFE）的領(lǐng)隊(duì) Ian Chapman，曾對媒體公開發(fā)言稱，在 JET 實(shí)驗(yàn)中，你沒法置身現(xiàn)場解決問題，它必須一鍵啟動(dòng)到位。為了解 JET 實(shí)驗(yàn)和氘 - 氚核聚變反應(yīng)，DeepTech 采訪了中科院等離子體物理研究所研究員鄭金星，目前就職于國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆 ITER 總部、從事遙操作系統(tǒng)研發(fā)的史善爽和康奈爾大學(xué)從事新能源領(lǐng)域研究的曹祥坤博士。下文是根據(jù)采訪整理的領(lǐng)域內(nèi)青年學(xué)者專訪，整理的精彩發(fā)言：
鄭金星：“核聚變”是我心之所系，期待 JET 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
我目前就職于中國科學(xué)院等離子體物理研究所，從事核聚變裝置超導(dǎo)電物理工程領(lǐng)域研究，負(fù)責(zé)中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆 CFETR 大型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)相關(guān)任務(wù)，同時(shí)也參加了國際熱核聚變（ITER）大型超導(dǎo)磁體的研制工作。
JET 實(shí)驗(yàn)，不是第一次氘 - 氚核聚變
氘 - 氚（D-T）核聚變可以說是最簡單的核聚變之一，也是難度最低、釋放能量最小的核聚變反應(yīng)。根據(jù)質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程式我們可以計(jì)算，同等質(zhì)量的 氘 - 氚（D-T） 核聚變所能釋放出來的能量，大約是汽油的 2500 萬倍。和平利用核聚變，對于每個(gè)能源消耗大國來說，都是一項(xiàng)重大戰(zhàn)略項(xiàng)目。
圖 | 人工核聚變：不可控的氫彈（左）和可控的 “東方超環(huán)”（來源：U.S. Air Force，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院）
很多國家都在建造可控核聚變反應(yīng)堆，比如中國的 EAST、日本的 JT60SA、韓國的 KSTAR、美國的 DIIID 裝置等。目前 ITER 是全球在建的最大的磁約束核聚變裝置，也是人類最大的國際科學(xué)合作計(jì)劃之一，其最終目標(biāo)是在反應(yīng)堆里加入氫同位素混合燃料，也就是氘氚 1:1 混合體，實(shí)現(xiàn)最大能量增益實(shí)驗(yàn)。
其實(shí)，今年 6 月份的 JET 實(shí)驗(yàn)，并不是第一次的 “氘-氚” 核聚變實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目計(jì)劃方在 2003 年時(shí)，做過一次短期的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。當(dāng)時(shí)，只是用微量的氘、氚，做了一些驗(yàn)證性的、前沿性的探索工作。也就是說，今年夏天的 JET “氘-氚” 核聚變實(shí)驗(yàn)，距離上一次 “氘-氚” 實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)過去 18 年了。
JET 實(shí)驗(yàn)的意義
根據(jù) EU-FUSION 前期公布的計(jì)劃，今年 6 月份 JET 實(shí)驗(yàn)所使用的原料中，氘氚、比例是 1：1 。而宏大的ITER計(jì)劃，最終目標(biāo)原料也是氘氚混合燃料。因此，本輪JET 氘氚混合燃料聚變實(shí)驗(yàn)對于未來ITER氘氚實(shí)驗(yàn)積累前期的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫。
2003 年，JET 實(shí)驗(yàn)裝置“氘-氚”核聚變的能力增益比值是 0.67，這個(gè)記錄也保持到了現(xiàn)在。本輪 JET 實(shí)驗(yàn)想進(jìn)一步延長“氘-氚”核聚變反應(yīng)的時(shí)間，今年 6 月份的 JET 實(shí)驗(yàn)中的“氘-氚”核聚變期望能夠維持 5 秒或更長的時(shí)間。JET 實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭茖W(xué)家獲得更多的數(shù)據(jù)，以分析“氘-氚”核聚變反應(yīng)的過程，獲得一些與物理機(jī)制方面的答案。
圖 | 托卡馬克裝置示意圖（圖源：Jamison Daniel, Oak Ridge Leadership Computing Facility）
本輪 JET 氘氚實(shí)驗(yàn)所獲得的的相關(guān)物理數(shù)據(jù)，可以更好的為ITER做物理實(shí)驗(yàn)相關(guān)的前期規(guī)劃和參考。
多年來，JET 一直在升級(jí)，也一直瞄準(zhǔn)未來 ITER 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)在開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，特別是本輪的氘氚實(shí)驗(yàn)。歷經(jīng) 18 年，再次做氘-氚核聚變實(shí)驗(yàn)，而且是等比例的氘氚混合能量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這讓所有磁約束聚變領(lǐng)域研究的人員都充滿了期待。
當(dāng)然，目前無論是 JET 裝置還是 ITER 裝置包括正在升級(jí)改造的中國“東方超環(huán) EAST ”超導(dǎo)托卡馬克裝置，在瞄準(zhǔn)解決人類終極能源方案的道路上，都面臨著大大小小的考驗(yàn)，也都備受外界關(guān)注，但是對于未來我們充滿信心。無論本輪氘氚實(shí)驗(yàn)結(jié)果怎么樣，這都是一次成功的嘗試。
史善爽：只要JET能夠成功放電，就是成功
我讀了核能工程和機(jī)器人專業(yè)兩個(gè)博士學(xué)位，分別畢業(yè)于中科院等離子體所和芬蘭 拉彭蘭塔工業(yè)大學(xué)（LUT University），目前就職于國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆 ITER 總部，從事遙操作系統(tǒng)研發(fā)，希望自己的所學(xué)未來也能夠?yàn)閲鴥?nèi)的聚變堆添磚加瓦。
圖 | 史善爽在國際熱核聚變堆的裝配大廳（來源：受訪者）
首先需要說明一下，人類距離真正的核聚變發(fā)電，樂觀估計(jì)至少還有 30 到 50 年的時(shí)間，路還很長。
目標(biāo)：能量增益 Q 值大于 1
關(guān)于能量增益的 Q 值，JET 曾在 1997 的實(shí)驗(yàn)中達(dá)到了 0.67，而日本曾宣稱在 JT60U 上獲得了 Q 為 1.25，不過是氘氘聚變等效換算得到，不是真正意義上的氘氚聚變。
既然理論上驗(yàn)證可行，那么，下一步就是驗(yàn)證工程上的可能性。核聚變是一個(gè)極其綜合的龐大工程，工程技術(shù)上能否實(shí)現(xiàn)，有很多難點(diǎn)和盲點(diǎn)需要去研究和驗(yàn)證。這方面，JET 只覆蓋了有限的一部分。因此，全球又合作共建了一個(gè)更大更全面的裝置叫做：國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），用來全面驗(yàn)證。
圖｜核聚變裝置內(nèi)部構(gòu)造（來源：PHYS）
而回到 JET，在 2000 年之后，又做了一些實(shí)驗(yàn)，主要為了驗(yàn)證一些關(guān)鍵技術(shù)。比如氚的運(yùn)行、遙操作維護(hù)、高功率加熱、等離子體控制等。JET 在這之前的很多年，一直處于升級(jí)改造階段，計(jì)劃于今年下半年開始新一輪的實(shí)驗(yàn)，然后估計(jì)幾年后將徹底退役。
所以可以理解為，JET 這輪實(shí)驗(yàn)是填補(bǔ) ITER 建成之前的空白，同時(shí)也為 ITER 在 2026 年的運(yùn)行積累經(jīng)驗(yàn)，類似的還有日本的 JT60SA，也是經(jīng)歷了漫長的升級(jí)，近期正在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。所以，從我個(gè)人觀點(diǎn)，只要 JET 能夠成功放電，就是成功。
英國人的預(yù)期應(yīng)該是，能取得至少比 97 年更高的參數(shù)。至于說 JET 實(shí)驗(yàn)的阻礙的話，除了前面提到的氚運(yùn)行、等離子體不穩(wěn)定性控制等，還有一個(gè)就是：畢竟 JET 是一個(gè)幾十年前的裝置了，各系統(tǒng)能否協(xié)同完美運(yùn)行，可能也是一個(gè)變數(shù)。
圖 | 史善爽在中國 EAST 人造太陽內(nèi)部（來源：受訪者）
氘氚聚變，JET 所面臨的難點(diǎn)
最后談?wù)勗擁?xiàng)核聚變實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵元素：氚。
氚是核聚變反應(yīng)的燃料，目前的核聚變主要指的是氘氚聚變。
氚是非常稀有原材料，全球產(chǎn)量大概也只有幾十公斤，每公斤得上億美金。并且，氚的半衰期只有 12.5 年，極不穩(wěn)定，不適合儲(chǔ)存。還有，氘氚聚變會(huì)產(chǎn)生大量的中子，中子不帶電，無法受到裝置磁場的約束，因此這些高能中子，無法像等離子體電流一樣被約束在裝置的中心，而是會(huì)四散逃逸，直接打在裝置的內(nèi)壁（包層和偏濾器）。
圖 | 氘 - 氚 （D-T）的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生氦（He）與中子（n）并釋放核能（來源：wikicommons）
因?yàn)殡暗囊陨咸攸c(diǎn)，這就使得裝置內(nèi)壁將承受極高的熱載荷，幾十 MW/m2，極易被燒壞，這是氘氚聚變的一大難點(diǎn)之一。此外，中子輻照會(huì)活化周圍的部件，這給裝置的輻射防護(hù)和維護(hù)帶來困難，一旦內(nèi)部部件損壞，其維護(hù)和更換都需要在高劑量的輻照環(huán)境下遠(yuǎn)程操作進(jìn)行，這是難點(diǎn)其二。
另外，氘氚聚變還有一個(gè)更關(guān)鍵的難點(diǎn)，就是氚燃料的來源問題，JET 目前的氘氚聚變，氚燃料完全靠外部注入。而氚極其稀有和難獲得，目前世界的產(chǎn)量一來根本不足以供給聚變電站的運(yùn)行，即使可以供給，也得不償失。氚太貴了，成本太大！
JET 估計(jì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期也只會(huì)用掉幾十克，所以說不要指望 JET 來聚變發(fā)電，它只是短暫幾秒鐘運(yùn)行一下氘氚實(shí)驗(yàn)，初窺門徑而已。
為什么是氘氚聚變？
從氘氚聚變這么多技術(shù)難點(diǎn)來看，不難發(fā)現(xiàn)，其實(shí)氘 - 氚聚變（D-T）并不是最理想的聚變方式，之所以選擇 D-T， 是因?yàn)樗谀壳叭祟惖募夹g(shù)水平上，最容易實(shí)現(xiàn)。
圖 | 三種聚變反應(yīng)的反應(yīng)截面，代表 D-T 聚變的藍(lán)線所需的溫度等三重積條件最容易實(shí)現(xiàn)（來源：受訪者）
最理想的聚變?nèi)剂鲜请?- 氦 3 (D-He3), 這種反應(yīng)能量密度更大，且不產(chǎn)生高輻射的中子，反應(yīng)容易控制，而且自然界中原料豐富。另外月球上也含有大量的氦 3，等到哪天人類技術(shù)成熟，月球說不定會(huì)變成一座座極其珍貴的氦礦基地。
但是目前，人類還沒有運(yùn)行過 DHe3 聚變，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)它所需的溫度和將近十億度。
目前已有的實(shí)驗(yàn)中，美國的 TFTR 和英國 JET 采用氘氚等比例混合物，也是未來聚變電站的主要形式，而日本的 JT60 采用的是純氘，然后再將反應(yīng)參數(shù)等效換算成氘氚聚變。
未來聚變電站何去何從？
這里將得提到另一項(xiàng)有待攻克的關(guān)鍵技術(shù)：氚自持。這也是 ITER 的重要使命，這一關(guān)過不了，聚變沒有前途。其主要方法是，利用反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子，轟擊裝置內(nèi)壁的鋰靶，產(chǎn)生氚，再用于支持后續(xù)的氘氚反應(yīng)。也就是說，不需要持續(xù)不斷地外部注入氚。
曹祥坤：可控核聚變就是“如何點(diǎn)火”和“不燒壞爐子”的事兒，業(yè)界期待很高
圖 | 康奈爾大學(xué)博士曹祥坤（受訪者）
我博士期間就讀于康奈爾大學(xué)機(jī)械與航天工程系，從事新能源領(lǐng)域的研究以及商業(yè)化應(yīng)用。我與核工專業(yè)的交集，是我在加拿大麥吉爾大學(xué)材料系讀碩士期間，曾經(jīng)在美國工程院院士 Mujid Kazimi 教授的邀請下，前往 MIT 核工系做過一年的訪問學(xué)生及研究助理，在 Michael Short 教授與 Matteo Bucci 教授的指導(dǎo)下，從事核電站反應(yīng)堆燃料棒包殼材料的研發(fā)。
作為一名能源行業(yè)的研究人員，我了解到與風(fēng)能和生物質(zhì)能等新能源相比，核能在體量上能夠更大的滿足人類社會(huì)的能源需求。而可控核聚變一直是能源領(lǐng)域科研人員多年以來的夢想，對于這個(gè)領(lǐng)域我也一直都有關(guān)注。
圖 | 托卡馬克裝置示意圖（來源：Jamison Daniel, Oak Ridge Leadership Computing Facility）
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