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一個老生常談的笑話是--核聚變總是要等到30年后發(fā)生，然而，豐富的清潔能源的夢想并不是一件可笑的事情。我們的太陽通過核聚變創(chuàng)造光和熱為地球上的生命提供了數(shù)十億年的燃料。
鑒于這種令人難以置信的力量和壽命，似乎沒有比利用包括我們自己的太陽在內(nèi)的恒星中發(fā)生的相同核過程更好的方式來產(chǎn)生能量了。
核聚變反應堆的目的是通過融合氫原子來創(chuàng)造氦進而以熱的形式釋放能量，以此來重現(xiàn)這一過程。大規(guī)模地維持這一過程有可能產(chǎn)生安全、清潔、幾乎取之不盡的電力供應。
這一探索在幾十年前就開始了，但一個長期以來的笑話即核聚變總是在30年后才開始會不會很快就顯得過時了？
一些人希望如此，因為在2021年底的一次核聚變實驗中取得了重大突破。這是在位于英國牛津郡的歐聯(lián)核磁聚變設備(JET)研究設施中進行的，該設施是一個巨大的圓環(huán)形機器--托卡馬克。
里面產(chǎn)生了被稱為等離子體的過熱氣體--核聚變反應就在其中進行--并包含被強大磁場固定住的帶電粒子。這種等離子體的溫度可以達到1.5億攝氏度，這是太陽核心溫度的10倍。
在持續(xù)5秒鐘的爆發(fā)中，EUROfusion聯(lián)盟的研究人員釋放了破紀錄的59兆焦耳(MJ)的聚變能量。這幾乎是1997年在同一設施創(chuàng)造的21.7MJ紀錄的三倍，其結果被譽為25年以來最清晰地展示了聚變能源提供安全和可持續(xù)低碳能源的潛力。
這些結果為核聚變下一階段的發(fā)展提供了重大推動力。一個更大和更先進的JET版本被稱為ITER(在拉丁語中意為“道路”)，其正在法國南部Saint-Paul-lès-Durance一個180公頃的場地上建設。
ITER是由包括歐盟國家在內(nèi)的35個國家合作建造的，其目的是進一步鞏固核聚變的概念。作為有史以來最復雜的機器之一，它計劃在2025年開始產(chǎn)生第一個等離子體，然后在2035年左右進入高功率運行--盡管該項目的研究人員預計會因為大流行病而出現(xiàn)一些延遲。
主要里程碑
JET的成果代表了一個重要的里程碑，EUROfusion項目的項目經(jīng)理Tony Donné教授稱，該項目是一個由全歐洲4800名專家、學生和設施組成的大型聯(lián)合體。他說道：“這是一個巨大的里程碑--很長一段時間以來最大的里程碑。它證實了所有的建模，所以它確實增加了人們的信心，即ITER將工作并做它所要做的。雖然在JET產(chǎn)生的能量只持續(xù)了幾秒鐘，但目標是將其提升到產(chǎn)生能量的持續(xù)反應。”
Donné教授指出，自1997年以來的關鍵發(fā)展之一是改變JET容器的內(nèi)壁。
以前內(nèi)壁是由碳制成，但事實證明，這跟氘和氚的燃料混合物反應性太強。據(jù)悉，這是在聚變反應中使用的兩種較重的氫的同位素--或變種。這導致了碳氫化合物的形成，并將氚燃料鎖在了墻內(nèi)。
為了減少氚的滯留，在涉及16000個部件和4000噸金屬的重建工作中，碳被替換為鈹和鎢。最終，該團隊得以將被困燃料的數(shù)量減少一大倍，從而為最近的聚變拍攝的成功做出了貢獻。
DEMO運行
在為核聚變史詩般的旅程的下一階段做準備時，對JET的升級確保了其配置跟ITER的計劃相一致。在未來，超越ITER的下一步將是一個被稱為DEMO的示范電廠，其目的是向電網(wǎng)輸送電力，進而使得核聚變電廠成為商業(yè)和工業(yè)現(xiàn)實。
Donné教授說道：“ITER是一個能創(chuàng)造出比用于加熱等離子體的能量多10倍的聚變能量的裝置。但由于它是一個實驗性設施，它不會向電網(wǎng)輸送電力。為此，我們需要另一個設備，我們稱之為DEMO。這將真正把我們帶到第一代核聚變電站的基礎上。”
Donné教授繼續(xù)補充道：”JET現(xiàn)在已經(jīng)表明，核聚變是可信的。ITER必須證明它是進一步可行的，而DEMO將需要證明它確實有效。”
Donné教授認為DEMO在2050年左右投入運行是現(xiàn)實的。它將為電網(wǎng)提供高達500兆瓦(MW)的電力。
然而在讓核聚變啟動和運行的道路上還有其他關鍵挑戰(zhàn)需要克服。最重要的是，雖然氘在海水中很豐富，但氚卻極其稀缺且很難生產(chǎn)。
因此，研究人員計劃開發(fā)一種在托卡馬克內(nèi)生成氚的方法，他們將使用含有鋰的“孕育毯”。據(jù)了解，這個想法是，來自聚變反應的高能中子將跟鋰相互作用以產(chǎn)生氚。
重要的能源
Donné教授表示，核聚變可能被證明是未來的一種關鍵的綠色和可持續(xù)能源。他說道：“我想說這是必不可少的。我不相信到2050年我們可以只用可再生能源來實現(xiàn)二氧化碳的過渡，我們還需要其他東西。”
盡管目前通過裂變創(chuàng)造核能的方法正變得越來越安全，但核聚變有它關鍵的優(yōu)勢。ITER的支持者談到了諸如沒有熔毀風險的好處，并補充稱核聚變不會產(chǎn)生長期的放射性廢物，而且反應堆材料可以在100到300年內(nèi)被回收或再利用。“這肯定要安全得多，”Donné教授說道。
在提到被稱為“托卡馬克之父”的Lev Artsimovich時，Donné教授說道：“Artsimovich總是說，當社會真正需要它時核聚變就會出現(xiàn)。如果我們讓核聚變運行起來，那么真的我們有一個非常安全和清潔的能源，它可以為我們提供數(shù)千年的能源。”
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