世界最大核聚变反应堆ITER将进行燃料试运行

12月，联合欧洲环面(JET)的研究人员开始用氚(氢的一种罕见的放射性同位素)进行核聚变实验。该设施是价值220亿美元的ITER项目的十分之一体积模型，具有相同的甜甜圈形状的“托卡马克”设计——世界上最发达的核聚变能源方法。这是自1997年以来研究人员首次在托卡马克中使用大量氚进行实验。

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6月，JET将开始熔化等量的氚和氘，氘是氢的另一种同位素。正是这种燃料混合物，ITER将用来试图从聚变反应中产生比投入更多的能量——这是以前从未被证明过的。反应堆应该加热并限制氘和氚的等离子体，以便同位素熔化成氦产生足够的热量来维持进一步的聚变反应。JET科学项目的联合负责人Joelle Mailloux说:“现在非常令人兴奋的是，我们终于可以将这些年来一直在准备的东西付诸实践了。”“我们已经准备好了。”

试运行

JET的实验将帮助科学家预测ITER托卡马克中的等离子体将如何运行，并设计这个大型实验的操作设置。位于法国Cadarache附近的ITER的首席科学家Tim Luce说:“这是我们在当今的机器上所能达到的最接近ITER条件的设备。”卢斯说，这些实验是大约20年工作的成果。

ITER将于2025年开始使用低功率氢反应。但从2035年起，它将以50:50的氘和氚混合物运行。ITER和JET都位于牛津附近的Culham聚变能中心(CCFE)，它们利用极端磁场将等离子体限制在一个环内，并对其加热，直到发生聚变。JET中的温度可以达到1亿度，比太阳核心的温度高很多倍。世界上最后一次用氚进行的托卡马克聚变实验也是在JET进行的。当时的目标是达到峰值功率，该设备成功地实现了功率输出与功率输入的创纪录比率(称为Q值)0.67。这个记录今天仍然保持着;1将是收支平衡。但今年的目标是维持类似水平的核聚变能量5秒或更长时间，尽可能多地从实验中获取数据，并了解持续时间更长的等离子体的行为。

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使用氚带来了独特的挑战——JET的研究人员花了两年多时间改装他们机器的元件，并准备处理放射性物质。这种同位素衰变很快，因此它在自然界中只以微量存在，通常是核裂变反应堆的副产品;世界供应量只有20公斤。处理氚的部分挑战是，它与氘的反应产生中子的速率比单独的氘反应要高得多。

商用反应堆将捕获这些中子的能量以发电，但在JET中，高能粒子将干扰机器内部并损坏诊断系统。领导CCFE的伊恩·查普曼说，这意味着喷气队不得不把摄像机和其他仪器移到混凝土屏障后面。查普曼说，“我们必须更新和更新我们所有的流程”，从存储到处理。一旦氚实验开始，中子轰击将使内部设施具有放射性，因此它将成为人类18个月的禁区。因此，工作人员不得不习惯于类似于将飞船送入太空的工程师的思维方式:“你不能只是进去修理东西，它必须第一时间工作，”查普曼说。

氚脉冲

JET的活动将使用不到60克的氚，并将回收利用。含有一克氚的燃料将被一天3-14次脉冲送入托卡马克。Mailloux说，每一次放电都是一次单独的实验，参数略有不同，将产生3到10秒钟的有用数据。“我们追求的是物理信息，我们可以用这些信息来验证我们的理解，然后我们可以将这些信息应用到未来机器的准备中，”她说。有些实验会只用氚;其他人将以相等的比例结合氘和氚。

这两种类型的实验都很重要，因为一个关键目标是理解氚的较大质量对等离子体行为的影响(氚的原子核中有两个中子，而氘有一个，氢没有)。这将有助于预测在ITER使用不同同位素的影响。同位素的质量影响等离子体达到被称为限制的关键状态所需的条件，如磁场、电流、外部加热。(在这种状态下，最高能量的粒子保留在电离气体中，这对于维持等离子体的温度很重要)。剑桥麻省理工学院的等离子体物理学家安妮·怀特说:“我们想探索这一点，并了解原因。”

与1997年的实验的另一个主要区别是，JET已经被改装，以使保护机器免受热和中子轰击影响并从等离子体中去除杂质的内部材料与ITER的设计相匹配。因为这些材料可以辐射回等离子体并冷却它，所以理解它们如何与聚变过程相互作用是至关重要的。查普曼说，最新一代的聚变科学家从未研究过氚，这使得做实验变得更加重要。“这是件大事。人们正在关注，”卢斯补充道。