核聚变刚刚在能源生产方面取得了巨大的飞跃

我们离未来的反应堆又近了一步

英国一家实验室的科学家打破了受控、持续聚变反应中产生的能量量 的记录。在英国的联合欧洲环面（JET）实验中，在五秒钟内生产了59兆焦耳的能量，被一些新闻媒体称为“突破”，并在物理学家中引起了相当大的反响。

核物理学家和核工程师，正在持续研究如何开发受控核聚变以用于发电。

JET的结果表明，在理解聚变物理学方面取得了显著进展。但同样重要的是，用于建造聚变反应堆内壁的新材料按预期工作。新墙体建筑的表现和它一样好，这一事实将这些结果与之前的里程碑区分开来，并将 磁 融合从梦想中提升到了现实。

将粒子融合在一起

核聚变是将两个原子核合并成一个复合核。然后，这个原子核分裂，以新原子和粒子的形式释放能量，这些原子和粒子加速远离反应。聚变发电厂将捕获逸出的颗粒，并利用其能量发电。

有几种不同的方法来安全地控制地球上的聚变。该研究重点是JET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，以便它们融合。

当前和未来反应堆的燃料是两种不同的氢同位素——这意味着它们有一个质子，但数量不同的中子——称为氘和氚。正常氢有一个质子，其原子核中没有中子。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很热，以至于电子从原子核中挣脱出来。这创造了等离子体——正离子和电子的集合。然后，需要继续加热等离子体，直到温度超过2亿华氏度（1亿摄氏度）。然后，这种等离子体必须以高密度在狭窄的空间中保持足够长的时间，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设备——称为tokamaks——使用磁场来容纳等离子体。缠绕甜甜圈内部的磁场线就像离子和电子跟随的火车轨迹。通过向等离子体注入能量并加热，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，燃料核不会相互反弹，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，燃料颗粒逐渐从热致密的核心漂移，最终与熔融容器的内壁碰撞。为了防止墙壁因这些碰撞而退化——这反过来又污染了聚变燃料——建造了反应堆，以便将 任性 的颗粒输送到一个称为分流器的重型装甲室。这泵出转移的颗粒，并去除任何多余的热量来保护托卡马克。

分流墙很重要

过去反应堆的一个主要限制是，分流器无法在持续的粒子轰击中生存超过几秒钟。为了使聚变动力在商业上发挥作用，工程师需要建造一艘托卡马克船，该船将在聚变的必要条件下使用多年。

分流墙是第一个考虑因素。虽然燃料颗粒到达分流器时要冷得多，但当它们与分流器碰撞时，它们仍然有足够的能量从分流器的壁材料中击出原子。以前，JET的分流器有一面石墨墙，但石墨吸收和捕获了太多的燃料，无法实际使用。

2011年左右，JET的工程师将分流器和内容器壁升级为钨。选择钨的部分原因是它具有所有金属中最高的熔点——当分流器的热负荷可能比重返地球大气层的航天飞机的鼻锥高出近10倍时，这是一个极其重要的特征。托卡马克的内容器壁从石墨升级为铍。铍对聚变反应堆具有优异的热和力学性能——它吸收的燃料比石墨少，但仍然可以承受高温。

JET生产的能源成为头条新闻，但事实上，正是使用新的分流墙材料使实验真正令人印象深刻，因为未来的设备需要这些更坚固的分流墙才能在更长的时间内以高功率运行。是JET如何建造下一代聚变反应堆概念的成功证明。

下一个聚变反应堆

JET托卡马克是目前运营的最大和最先进的磁聚变反应堆。但下一代反应堆已经在进行中，最著名的是ITER实验，将于2027年开始运行。国际热核聚变实验堆（拉丁语意为“道路”）正在法国建设中，由包括美国在内的国际组织资助和指导。

ITER将利用喷气式飞机证明可行的许多材料。聚变室高37英尺（11.4米），周围63英尺（19.4米），是喷气式飞机的八倍多。此外，与喷气式飞机的磁铁相比，ITER将利用超导磁铁，能够在更长时间内产生更强的磁场。通过这些升级，ITER预计将打破JET的聚变记录——无论是能源输出还是反应将持续更久。

预计ITER还将做一些对聚变发电厂理念的核心事情：产生的能量超过加热燃料所需的能量。模型预测，ITER将连续产生约500兆瓦的功率，持续400秒，而仅消耗50兆瓦的能量来加热燃料。这意味着反应堆产生的能量是其消耗的10倍——与喷气式飞机相比，这是一个巨大的进步，喷气式飞机加热燃料所需的能量大约是其最近59兆焦耳记录的三倍。

JET最近的记录显示，多年来对等离子体物理学和材料科学的研究取得了成果，并将科学家带到了利用聚变发电的门口。迭代核聚变实验堆将朝着工业规模核聚变发电厂的目标迈出一大步。

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