歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（JET）將執(zhí)行一系列氘氚核聚變實(shí)驗(yàn)，這是未來(lái)大型聚變實(shí)驗(yàn)前的一次重要彩排。位于英國(guó)的一座尖端反應(yīng)堆正在籌備核聚變混合燃料的關(guān)鍵性測(cè)試，這種燃料將最終點(diǎn)燃“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆”（ITER）——全球規(guī)模最大的核聚變項(xiàng)目。
太陽(yáng)釋放的能量即來(lái)自核聚變反應(yīng)，如果物理學(xué)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(jīng)開(kāi)始用氚進(jìn)行核聚變實(shí)驗(yàn)。來(lái)源：EUROfusion （CC BY 4.0）
JET研究人員于去年12月開(kāi)始用氚（氫的一種稀有放射性同位素）進(jìn)行核聚變實(shí)驗(yàn)。JET 反應(yīng)堆是參照價(jià)值220億美元的ITER計(jì)劃、按1：10體積比建造的模型，它也采用了目前世界上最先進(jìn)的核聚變落地方案——甜甜圈形狀的托卡馬克式設(shè)計(jì)。這是自1997年以來(lái)科學(xué)家們第一次在托卡馬克環(huán)里用顯著量的氚進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
今年6月JET將啟動(dòng)等比例氘氚混合物聚變實(shí)驗(yàn)（氚是氫的另一種同位素）。ITER計(jì)劃正是寄望于用這種混合燃料實(shí)現(xiàn)史無(wú)前例的聚變反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能量輸出大于輸入。反應(yīng)堆需要加熱并約束氘氚混合等離子體，直到這些同位素聚合為氦時(shí)釋放的熱量能維持聚變反應(yīng)。
“這些年一直在準(zhǔn)備的事情終于到了實(shí)戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)，真是令人興奮，”JET課題組領(lǐng)隊(duì)之一Joelle Mailloux說(shuō)，“我們準(zhǔn)備就緒了。”
試運(yùn)行
JET的實(shí)驗(yàn)將幫助科學(xué)家們預(yù)測(cè)ITER的托卡馬克會(huì)遇到的各種情況，以便更為精準(zhǔn)地設(shè)定后期大型實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行參數(shù)。ITER首席科學(xué)家Tim Luce介紹說(shuō)，“以目前的裝備來(lái)看，這是最接近ITER狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)。”他說(shuō)這些實(shí)驗(yàn)是約20年奮斗的成果。ITER位于法國(guó)卡達(dá)拉舍附近，它將于2025年啟動(dòng)低能量氫核反應(yīng)。但從2035年開(kāi)始它將開(kāi)始使用1：1比例的氘氚混合燃料。
JET隸屬于英國(guó)牛津附近的卡拉姆聚變能研究中心（CCFE）。ITER和JET都是通過(guò)極強(qiáng)的磁場(chǎng)將等離子體束縛在環(huán)狀軌道中并加熱至引發(fā)核聚變。JET工作溫度可以達(dá)到1億度，數(shù)倍于太陽(yáng)核心溫度。
全球上一次用氚進(jìn)行托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)的地方也是JET?當(dāng)時(shí)的目標(biāo)是打破能量峰值紀(jì)錄，最終其能量輸出輸入比（Q值）成功突破了0.67。該紀(jì)錄保持至今，Q值達(dá)到1意味著能量收支平衡。而今年的目標(biāo)是將量級(jí)相當(dāng)?shù)木圩兡芰烤S持5秒或更長(zhǎng)時(shí)間，以獲取盡可能多的數(shù)據(jù)并理解維持時(shí)間更長(zhǎng)的等離子體的行為。
使用氚的難度很大——JET研究人員花費(fèi)了兩年多時(shí)間更換設(shè)備零部件以準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)放射性物質(zhì)。這種同位素衰減很快，只以極微量存在于自然界，常規(guī)來(lái)源是核裂變反應(yīng)堆的附產(chǎn)品，其全球產(chǎn)能僅有20公斤。
氚難以處理的部分原因在于：相比純氘的反應(yīng)，氘氚混合物反應(yīng)的中子生成率要高得多。商用反應(yīng)堆捕獲這些中子的能量來(lái)產(chǎn)生電能。但對(duì)于JET，這些高能粒子會(huì)持續(xù)轟炸設(shè)備內(nèi)壁并損壞檢測(cè)系統(tǒng)。CCFE領(lǐng)隊(duì)Ian Chapman說(shuō)，這意味著JET團(tuán)隊(duì)不得不為攝像頭等儀器增設(shè)堅(jiān)固的保護(hù)罩。
Chapman說(shuō)“我們需要更新或重新設(shè)計(jì)每個(gè)流程”，從如何存儲(chǔ)到如何操作都要重來(lái)。一旦氚燃料實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，中子轟炸會(huì)導(dǎo)致設(shè)施內(nèi)部區(qū)域具有放射性，其后18個(gè)月不能有任何人進(jìn)入。Chapman告訴我們，項(xiàng)目成員必須適應(yīng)類(lèi)似于航天工程師的思維方式：“你沒(méi)法置身現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題，它必須一鍵啟動(dòng)到位。”
分批注入的氚
此次JET會(huì)注入不到60克的氚并加以回收利用。托卡馬克里每天會(huì)將1克氚按3到14次分批注入混合燃料。Mailloux說(shuō)，每次加注都是一次不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，會(huì)產(chǎn)生3到10秒的有用數(shù)據(jù)。“我們希望用得到的物理信息來(lái)驗(yàn)證已有的認(rèn)知，再據(jù)此準(zhǔn)備后期設(shè)備。”她說(shuō)。
某些實(shí)驗(yàn)只使用氚，另一些實(shí)驗(yàn)則使用氘氚的等比例混合物。兩種實(shí)驗(yàn)都很重要，因?yàn)樵擁?xiàng)目的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是理解氚的較大質(zhì)量如何影響等離子體的行為（氚核有兩個(gè)中子，氘有一個(gè)而氫沒(méi)有）。這將幫助預(yù)測(cè)在ITER中使用不同同位素的效果。同位素的質(zhì)量會(huì)影響達(dá)到“等離子體約束”狀態(tài)所需的磁場(chǎng)、電流、外部熱源等條件。（等離子體約束狀態(tài)下，高能粒子被束縛在電離氣體中，這對(duì)于維持等離子體溫度至關(guān)重要）。麻省理工學(xué)院的Anne White說(shuō)：“我們想要理解這些影響和它背后的原因。”
與1997年實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)主要區(qū)別是，JET內(nèi)部用以保護(hù)設(shè)備免遭熱輻射和中子轟炸、吸收等離子體中雜質(zhì)的材料被更換成了和ITER一致的設(shè)計(jì)。由于這些材料也會(huì)反向輻射到等離子體中并引起冷卻，所以了解它們?nèi)绾斡绊懢圩冞^(guò)程至關(guān)重要。
Chapman說(shuō)新生代聚變物理學(xué)家從沒(méi)有和氚打過(guò)交道，這讓本次實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行顯得格外重要。“這次的實(shí)驗(yàn)非常重要，人們都在等著看呢。”Luce補(bǔ)充道。
