更好的反应堆墙-受控核聚变创造新纪录，或改写历史

英国一家实验室的科学家打破了受控持续聚变反应产生的能量的记录。英国的联合欧洲环面(Joint European Torus，简称JET)实验在5秒内产生了59兆焦耳的能量，这被一些新闻媒体称为“一项突破”，并在物理学家中引起了相当大的兴奋。

JET的结果显示了在理解核聚变物理方面的显著进步。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发挥了预期的作用，并将磁融合从一个梦想提升到现实。

核聚变是两个原子核合并成一个化合物核。这个原子核然后分裂，释放能量，以新的原子和粒子的形式，加速离开反应。核聚变发电厂将捕获逃逸的粒子，并利用它们的能量来发电。

在地球上安全控制核聚变有几种不同的方法。我们的研究集中在JET所采用的方法上——使用强大的磁场限制原子，直到它们被加热到足够高的温度以使它们熔化。

目前和未来的反应堆的燃料是两种不同的氢同位素——这意味着它们只有一个质子，但中子数量不同，称为氘和氚。正常的氢原子核中只有一个质子，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。

为了成功地进行聚变反应，燃料原子首先必须变得非常热，以至于电子从原子核中脱离出来。这就产生了等离子体——一种正离子和电子的集合。然后你需要继续加热等离子体，直到其温度达到1亿摄氏度以上。等离子体必须在一个密闭的空间中以高密度保持足够长的时间，以使燃料原子相互碰撞并融合在一起。

为了控制地球上的核聚变，研究人员开发了一种叫做托卡马克的甜甜圈形状的装置，它利用磁场来控制等离子体。环绕在甜甜圈内部的磁力线就像离子和电子跟随的火车轨道。通过向等离子体中注入能量并加热，可以将燃料粒子加速到如此高的速度，当它们碰撞时，燃料核就会融合在一起，而不是相互弹跳。当这种情况发生时，它们释放能量，主要以快速移动的中子的形式。

在聚变过程中，燃料粒子逐渐远离炽热致密的核，最终与聚变容器内壁相撞。为了防止壁面因这些碰撞而退化，这反过来也会污染聚变燃料——建造了反应堆，以便将这些任性的粒子引导到一个被称为分流器的重装甲室。这样就可以排出被分流的粒子，并消除多余的热量来保护托卡马克。

过去反应堆的一个主要限制是，在持续的粒子轰击下，导流器无法存活超过几秒钟。为了使核聚变能商业化，工程师们需要建造一艘托卡马克飞船，它能在核聚变所需的条件下存活数年。

首先要考虑的是导流器壁。虽然燃料粒子到达分流器时温度低得多，但当它们与分流器相撞时，仍有足够的能量将原子从分流器壁材料中震散。在此之前，JET的分流器有一堵石墨墙，但石墨吸收并截留了太多用于实际使用的燃料。

2011年前后，JET的工程师将导流器和内壁升级为钨钢。之所以选择钨，部分原因是它的熔点是所有金属中最高的，这是一个非常重要的特性，因为当转向器的热负荷可能比重返地球大气层的航天飞机的头锥高出近10倍时。托卡马克的内壁由石墨升级为铍。对于聚变反应堆来说，铍具有优异的热和机械性能——它比石墨吸收的燃料少，但仍能承受高温。

JET制造的能量成为了头条新闻，实际上是对新型墙体材料的使用使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墙体，以在更高的功率下工作更长的时间。JET是如何建造下一代聚变反应堆概念的成功证明。

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工作中，最著名的是将于2027年开始运行的ITER实验。ITER在拉丁语中是“方法”的意思，目前正在法国建设，由包括美国在内的一个国际组织提供资金和指导

ITER将使用许多JET证明可行的先进材料。但也有一些关键的区别。首先，ITER是巨大的。聚变室高37英尺(11.4米)，约63英尺(19.4米)——比JET大8倍多。此外，与JET的磁铁相比，ITER将使用能够产生更强磁场、持续时间更长的超导磁铁。随着这些升级，ITER预计将打破JET的聚变记录——无论是能量输出还是反应持续时间。

国际热核聚变实验堆也被认为是核聚变发电厂的核心:产生比加热燃料更多的能量。模型预测，ITER将持续400秒产生约500兆瓦的电力，而加热燃料只需要50兆瓦的能量。这意味着该反应堆产生的能量是消耗的10倍——这是对JET的一个巨大改进，JET加热燃料所需的能量大约是它最近59百万焦耳记录产生的能量的3倍。

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成效，并将科学家们带到了利用聚变发电的门口。ITER将为实现工业规模聚变电厂的目标提供巨大的飞跃。