欧洲核聚变反应堆打破能源记录

欧洲联合圆环实验将原子融合能量记录翻了一番——这个过程为太阳提供动力，JET 内部容器视图

英国牛津附近的欧洲联合托卡马克反应堆是世界上最大的聚变实验台——法国 ITER 。图片来源：Christopher Roux (CEA-IRFM)/EUROfusion (CC BY 4.0)

一个 24 年的核聚变记录已经崩溃。 2 月 9 日，英国牛津附近的欧洲联合圆环 (JET) 的科学家们宣布，他们已经通过将原子融合在一起产生了有史以来最高的持续能量脉冲，比 1997 年的实验记录增加了一倍多。

JET 所在的库勒姆聚变能源中心 (CCFE) 负责人伊恩·查普曼 (Ian Chapman) 在一份声明中说：“这些具有里程碑意义的成果让我们更接近于克服所有这些挑战中最大的科学和工程难点。” .英国原子能局主办 JET，但其科学计划由名为 EUROfusion 的欧洲合作组织运行。

聚变能的追逐

如果研究人员能够利用核聚变——为太阳提供能量的过程——它有望提供近乎无限的清洁能源。但到目前为止，没有任何实验产生的能量超过投入的能量。JET 的结果并没有改变这一点，但他们建议使用相同技术和燃料混合物的后续聚变反应堆项目，——雄心勃勃的 220 亿美元计划，于 2025 年开始聚变实验的 ITER， 最终应该能够实现这一目标。

“JET 确实实现了预期。现在，同样的模型表明 ITER 将起作用，”荷兰埃因霍温科技大学的聚变物理学家 Josefine Proll 说道，他正在研究一种称为仿星器的不同类型的反应堆。 “这是一个非常非常好的迹象，我很兴奋。”

两个十年的工作

研究托卡马克的麻省理工学院等离子体物理学家安妮怀特说，这些实验是近二十年来工作的结晶，对于帮助科学家预测 ITER 的行为方式以及指导其运行环境非常重要。反应堆，像 JET 一样，有一个甜甜圈形状。 “我确信在 fusion 社区中，我并不是唯一一个想向 JET 团队表示衷心祝贺的人。”

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JET 和 ITER 使用磁场将等离子体（一种氢同位素的过热气体）限制在托卡马克中。在高温和压力下，同位素融合成氦，释放出中子的能量。

为了打破能源记录，JET 使用了由等量的氚和氘制成的燃料——与正在法国南部建造的 ITER 提供动力的混合物相同。氚是氢的稀有放射性同位素；当它与同位素氘融合时，反应产生的中子比单独的氘粒子之间的反应要多得多。这提高了能量输出，但 JET 必须经历两年多的翻新，才能为机器的猛攻做好准备。氚最后一次被用于托卡马克聚变实验，当时 JET 在 1997 年创下了之前的记录。

在 2021 年 12 月 21 日的一项实验中，JET 的托卡马克在 5 秒的聚变“脉冲”内产生了 59 兆焦耳的能量——是 1997 年在大约 4 秒内释放的 21.7 兆焦耳能量的两倍多。 CCFE 的等离子体科学家 Fernanda Rimini监督了去年的实验活动，尽管 1997 年的实验仍然保持着“峰值功率”的记录，但该峰值只持续了几分之一秒，而且该实验的平均功率还不到最新测试的一半，”她说：“这项改进需要 20 年的实验优化以及硬件升级，包括更换托卡马克的内壁以减少燃料浪费。”

功率比

Rimini 说，在几秒钟内产生能量对于了解等离子体内部发生的加热、冷却和运动至关重要，这对于运行 ITER 至关重要。

Proll 补充说，五秒钟“很重要”。 “这真的非常非常令人印象深刻。”

去年，美国能源部的国家点火设施创造了一项不同的聚变记录：它使用激光技术产生了相对于功率输入的最高记录聚变功率输出，一个称为 Q 的值，其中 若将产生与投入的能量比为1的话，该设施的 Q 值为 0.7——这是激光聚变的里程碑，打破了 JET 1997 年的记录。但该事件是短暂的，在不到 40 亿分之一秒的时间内仅产生 1.3 兆焦耳。

Rimini 说，JET 的最新实验将 Q 值维持在 0.33 持续 5 秒。普罗尔说，JET 是 ITER 的缩小版，体积只有浴缸的十分之一——与游泳池相比，它比 ITER 更容易散热，因此从未预期它会达到盈亏平衡。她说，如果工程师对 ITER 应用与 JET 相同的条件和物理方法，它可能会达到 Q 为 10 的目标，产生的能量是投入的十倍。

聚变研究人员远未找到所有答案。例如，剩下的挑战是处理 ITER 反应堆排气区域产生的热量。 ITER 的排气面积将比 JET 的更大，但增加的面积与它必须应对的功率激增不成比例。 Proll 说，目前正在研究哪种设计最能承受高温，但研究人员还没有做到。

JET 的破纪录运行发生在为期五个月的活动的最后一天，里米尼说，科学家们从中收集了大量信息，他们将在未来几年进行分析。 Rimini 补充说，最终的实验将设备推向了“绝对最大值”，他实时目睹了具有里程碑意义的测试。 “我们没有跳上跳下拥抱彼此——我们相距 2 米——但这非常令人兴奋。”

氚实验可能是 JET 的绝唱。去年，EUROfusion 决定在 2023 年底结束 JET 的运营，即开始运营 40 年后。 UKAEA 表示计划停止该实验； JET 硬件设备和运营专业知识成果，将在现场的其他项目中找到归宿。

doi：https://doi.org/10.1038/d41586-022-00391-1

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