全球最大核聚變實驗將啟動燃料測試
2021年04月03日06:30

  來源:Nature Portfolio

  歐洲聯合環狀反應堆(JET)將執行一系列氘氚核聚變實驗,這是未來大型聚變實驗前的一次重要綵排。

  位於英國的一座尖端反應堆正在籌備核聚變混合燃料的關鍵性測試,這種燃料將最終點燃“國際熱核聚變實驗堆”(ITER)——全球規模最大的核聚變項目。太陽釋放的能量即來自核聚變反應,如果物理學家可以在地球上駕馭它,它將成為取之不盡、用之不竭的能源。

JET研究人員已經開始用氚進行核聚變實驗。來源:EUROfusion (CC BY 4.0)
JET研究人員已經開始用氚進行核聚變實驗。來源:EUROfusion (CC BY 4.0)

  JET研究人員於去年12月開始用氚(氫的一種稀有放射性同位素)進行核聚變實驗。JET 反應堆是參照價值220億美元的ITER計劃、按1:10體積比建造的模型,它也採用了目前世界上最先進的核聚變落地方案——甜甜圈形狀的托卡馬克式設計。這是自1997年以來科學家們第一次在托卡馬克環里用顯著量的氚進行實驗。

  今年6月JET將啟動等比例氘氚混合物聚變實驗(氚是氫的另一種同位素)。ITER計劃正是寄望於用這種混合燃料實現史無前例的聚變反應,實現能量輸出大於輸入。反應堆需要加熱並約束氘氚混合等離子體,直到這些同位素聚合為氦時釋放的熱量能維持聚變反應。

  “這些年一直在準備的事情終於到了實戰節點,真是令人興奮,”JET課題組領隊之一Joelle Mailloux說,“我們準備就緒了。”

  試運行

  JET的實驗將幫助科學家們預測ITER的托卡馬克會遇到的各種情況,以便更為精準地設定後期大型實驗的運行參數。ITER首席科學家Tim Luce介紹說,“以目前的裝備來看,這是最接近ITER狀態的實驗。”他說這些實驗是約20年奮鬥的成果。ITER位於法國卡達拉舍附近,它將於2025年啟動低能量氫核反應。但從2035年開始它將開始使用1:1比例的氘氚混合燃料。

  JET隸屬於英國牛津附近的卡拉姆聚變能研究中心(CCFE)。ITER和JET都是通過極強的磁場將等離子體束縛在環狀軌道中並加熱至引發核聚變。JET工作溫度可以達到1億度,數倍於太陽核心溫度。

  全球上一次用氚進行托卡馬克核聚變實驗的地方也是JET。當時的目標是打破能量峰值紀錄,最終其能量輸出輸入比(Q值)成功突破了0.67。該紀錄保持至今,Q值達到1意味著能量收支平衡。而今年的目標是將量級相當的聚變能量維持5秒或更長時間,以獲取儘可能多的數據並理解維持時間更長的等離子體的行為。

  使用氚的難度很大——JET研究人員花費了兩年多時間更換設備零部件以準備好應對放射性物質。這種同位素衰減很快,只以極微量存在於自然界,常規來源是核裂變反應堆的附產品,其全球產能僅有20公斤。

  氚難以處理的部分原因在於:相比純氘的反應,氘氚混合物反應的中子生成率要高得多。商用反應堆捕獲這些中子的能量來產生電能。但對於JET,這些高能粒子會持續轟炸設備內壁並損壞檢測系統。CCFE領隊Ian Chapman說,這意味著JET團隊不得不為鏡頭等儀器增設堅固的保護罩。

  Chapman說“我們需要更新或重新設計每個流程”,從如何存儲到如何操作都要重來。一旦氚燃料實驗開始,中子轟炸會導致設施內部區域具有放射性,其後18個月不能有任何人進入。Chapman告訴我們,項目成員必須適應類似於航天工程師的思維方式:“你沒法置身現場解決問題,它必須一鍵啟動到位。”

  分批註入的氚

  此次JET會注入不到60克的氚並加以回收利用。托卡馬克里每天會將1克氚按3到14次分批註入混合燃料。Mailloux說,每次加註都是一次不同參數的實驗,會產生3到10秒的有用數據。“我們希望用得到的物理信息來驗證已有的認知,再據此準備後期設備。”她說。

  某些實驗只使用氚,另一些實驗則使用氘氚的等比例混合物。兩種實驗都很重要,因為該項目的一個關鍵目標是理解氚的較大質量如何影響等離子體的行為(氚核有兩個中子,氘有一個而氫沒有)。這將幫助預測在ITER中使用不同同位素的效果。同位素的質量會影響達到“等離子體約束”狀態所需的磁場、電流、外部熱源等條件。(等離子體約束狀態下,高能粒子被束縛在電離氣體中,這對於維持等離子體溫度至關重要)。麻省理工學院的Anne White說:“我們想要理解這些影響和它背後的原因。”

  與1997年實驗的另一個主要區別是,JET內部用以保護設備免遭熱輻射和中子轟炸、吸收等離子體中雜質的材料被更換成了和ITER一致的設計。由於這些材料也會反向輻射到等離子體中並引起冷卻,所以瞭解它們如何影響聚變過程至關重要。

  Chapman說新生代聚變物理學家從沒有和氚打過交道,這讓本次實驗的運行顯得格外重要。“這次的實驗非常重要,人們都在等著看呢。”Luce補充道。

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