英国一个实验室的科学家们打破了记录用于在受控、持续的聚变反应过程中产生的能量。
生产五秒内产生 59 兆焦耳的能量在英格兰联合欧洲环面（JET）实验中被一些新闻媒体称为“突破”并引起了物理学家的极大兴奋。
但关于聚变发电的一个共同点是“永远是20年后”。
我们是一个核物理学家和一个核工程师谁研究如何发展受控以发电为目的。
JET 结果证明了对聚变物理学的理解取得了显着进步。 但同样重要的是，它表明用于建造聚变反应堆内壁的新材料按预期发挥了作用。
事实上，新墙结构的出色表现将这些结果与之前的里程碑区分开来，并将磁聚变从梦想变为现实。
将粒子融合在一起
核聚变是两个原子核合并成一个复合核。 然后，该原子核分裂并以新原子和粒子的形式释放能量，并加速远离反应。 A植物将捕获逃逸的粒子并利用它们的能量来发电。
有几个安全控制地球上聚变的不同方法。 我们的研究重点是 JET 所采取的方法——使用强大的磁场来限制原子直到它们被加热到足够高的温度以使其熔化。
当前和未来反应堆的燃料是两种不同的氢同位素——这意味着它们具有一个质子，但中子数量不同——称为氘和氚。 正常氢的原子核中有一个质子，没有中子。 氘有一个质子和一个中子，而氚有一个质子和两个中子。
为了使聚变反应成功，燃料原子必须首先变得非常热，以使电子脱离原子核。 这会产生等离子体——正离子和电子的集合。
然后，您需要继续加热等离子体，直到其达到超过 2 亿华氏度（1 亿摄氏度）的温度。 然后，必须将这种等离子体以高密度保存在密闭空间中足够长的时间，以便燃料原子相互碰撞并融合在一起。
为了控制地球上的聚变，研究人员开发了甜甜圈形状的装置 -称为托卡马克– 使用磁场来抑制等离子体。 环绕甜甜圈内部的磁场线就像离子和电子遵循的火车轨道。
通过将能量注入等离子体并将其加热，可以将燃料颗粒加速到如此高的速度，以至于当它们碰撞时，燃料核不会相互弹开，而是融合在一起。 当这种情况发生时，它们会释放能量，主要以快速移动的中子的形式。
在聚变过程中，燃料颗粒逐渐远离炽热致密的核心，最终与聚变容器的内壁碰撞。
为了防止墙壁因这些碰撞而退化（这反过来也会污染聚变燃料），建造了反应堆，以便将难以控制的粒子引导到一个称为偏滤器的重装甲室。 这会泵出转移的粒子并消除多余的热量以保护托卡马克。
墙很重要
过去反应堆的一个主要限制是偏滤器无法在持续的粒子轰击中存活超过几秒钟。 为了使聚变发电商业化，工程师需要建造一艘能够在聚变所需的条件下使用多年的托卡马克容器。
偏滤器壁是首先要考虑的因素。 尽管燃料颗粒到达偏滤器时温度要低得多，但它们仍然有足够的能量当原子与偏滤器壁材料碰撞时，原子会从偏滤器壁材料中脱落。
此前，JET 的偏滤器的壁是由石墨制成的，但是石墨吸收并捕获了过多的实际使用燃料。
2011 年左右，JET 的工程师将偏滤器和内部容器壁升级为钨。 选择钨的部分原因是它具有所有金属中最高的熔点——当偏滤器可能几乎承受热负荷时，这是一个极其重要的特性。比航天飞机鼻锥高10倍重新进入地球大气层。
托卡马克的内容器壁从石墨升级为铍。 铍对于聚变反应堆具有出色的热性能和机械性能——它比石墨吸收更少的燃料，但仍能承受高温。
JET 产生的能量成为了头条新闻，但我们认为实际上是新型壁材料的使用使该实验真正令人印象深刻，因为未来的设备将需要这些更坚固的壁才能在高功率下运行更长时间的时间。
JET 成功地证明了如何建造下一代聚变反应堆的概念。
下一个聚变反应堆
JET托卡马克是目前运行的最大、最先进的磁聚变反应堆。 但下一代反应堆已经在研发中，最引人注目的是国际热核实验堆实验，定于 2027 年开始运营。
ITER——拉丁语中“道路”的意思——正在法国建设，由包括美国在内的一个国际组织资助和指导。
ITER 将利用 JET 证明可行的许多材料进步。 但也存在一些关键差异。 首先，ITER 规模庞大。 聚变室是高 11.4 米（37 英尺），周长 19.4 米（63 英尺）– 比 JET 大八倍以上。
此外，ITER将利用能够产生更强的磁场持续更长的时间与 JET 的磁铁相比。 通过这些升级，ITER 预计将打破 JET 的聚变记录——无论是在能量输出还是反应持续时间方面。
ITER 预计还将完成聚变发电厂理念的核心任务：产生比加热燃料所需的更多的能量。 模型预测 ITER 将在 400 秒内连续产生约 500 兆瓦的电力，同时仅消耗 50 兆瓦的能量来加热燃料。
这意味着反应堆产生的能量比消耗的能量多10倍– 相对于 JET 的巨大改进，这需要加热燃料所需的能量大约是其产生的能量的三倍为其最近的59兆焦耳记录。
JET 最近的记录表明，多年来在等离子体物理和材料科学方面的研究已经取得了回报，并使科学家们迈出了利用聚变发电的大门。 ITER 将向工业规模聚变发电厂的目标迈进一大步。
