核聚变的重大突破可能为无限清洁能源让路

AZoCleantech采2022足球世界杯抽签直播访了英国原子能管理局(UKAEA) JET运营负责人Joe Milnes博士，讲述了他的团队打破纪录的实验，该实验有助于加速无限清洁能源的未来。

什么是联合欧洲环面(JET)实验室?其中进行了哪些关键研究?

JET是世界上最大、最强大的托卡马克机器，由位于牛津的英国原子能管理局(UKAEA)操作。它是欧洲核聚变研究计划(EUROfusion)的焦点，也是目前唯一能够使用氘和氚的托卡马克——这两种燃料将用于第一批商业核聚变发电厂。

JET是聚变能研究史上最重要的机器之一。在过去的40年里，我们非常自豪能够代表EUROfusion财团在牛津运营它。它的长寿和成功使我们能够打破许多障碍，将这一终极科学实验转化为可持续的商业力量。

喷射内部与叠加等离子体。图片来源:UKAEA/EUROfusion

JET是原始设计团队以及科学和运营团队的独创性的证明，他们对机器进行了多次升级和增强，以确保它在运行40年后仍然是世界上最重要的设备。

JET 100K脉冲和历史。视频来源:UKAEA/EUROfusion

该设施目前正在使用什么技术?

聚变燃料——氢的两种同位素氘和氚——被注入真空容器。燃料被加热到1.5亿摄氏度左右，从气体变成等离子体。

一个环形真空容器被用来控制等离子体，用强大的磁铁使其远离室壁。等离子体排气系统将聚变产生的氦从腔室中移除，超过100个诊断系统监测关键属性，包括等离子体密度、温度、杂质和许多其他。

JET环面厅。图片来源:UKAEA/EUROfusion

加热系统包括使用一个中央螺线管线圈来驱动等离子体中高达400万安培的电流，以及高能粒子束和无线电波来为等离子体提供辅助加热。要实现这一切，需要在真空系统、传热、低温学、机器人、激光、控制、高功率计算和许多其他方面的最先进技术。

这些具有里程碑意义的结果证明，英国与欧洲各地的合作伙伴正在进行的开创性研究和创新，正在使核聚变发电成为现实。

你能解释一下什么是聚变以及你是如何开始你的研究的吗?

核聚变能源通过安全、可持续、高效和低碳的能源供应，在应对气候变化方面至关重要。它有潜力为未来几代人提供绿色能源。

图片来源:UKAEA/EUROfusion

核聚变发生在恒星的中心，比如我们的太阳，它提供了驱动宇宙的动力。为了在地球上重现这一过程，我们使用氢气、氘和氚的组合，这些气体被加热到非常高的温度来产生等离子体(这是“最容易”实现的聚变反应)。当氘原子和氚原子聚变形成氦原子和中子时，能量就会释放出来。

卡勒姆自20世纪60年代以来一直是主要的核聚变国际研究中心。

JET于1991年首次登上全球头条，当时它成为第一台实现可控核聚变的机器。1997年，它创造了等离子体发电的世界纪录，并继续改进，为其国际继任者ITER铺平了道路。

请您解释一下您的团队所进行的实验，以及你们的目标是什么?

JET DTE2是20多年来全球最重要的磁聚变能实验。我们开始生产高水平和持续的核聚变能源，条件与预期的发电厂设计更相似，使用燃料——氘和氚——预计将为未来的商业发电厂提供动力。

实验的总体目标是:

• 测试将用于JET的继任者ITER的材料，ITER目前正在法国南部建设中
• 在五秒脉冲内达到持续聚变能量的最高纪录
• 学习如何使用和回收氚燃料，为国际热核聚变实验堆(ITER)和首批商业发电厂(如英国的STEP和欧盟的DEMO计划)的运作做准备
• 评估我们的预测建模能力和对D-T等离子体条件的基础物理理解

实验的主要发现是什么?

目前的实验表明，我们可以产生持续5秒的高水平聚变能。虽然5秒对于一个动力装置来说显然是不够的，但这大大增加了我们的信心，在利用最新技术发展的设备(如超导磁体)中，这种性能将在更长的时间内成为可能。

JET在5秒(聚变实验的持续时间)的聚变过程中产生了59兆焦耳的热能。在这个实验中，JET的平均核聚变功率(即每秒能量)超过10兆瓦(每秒兆焦耳)。

JET世界纪录脉冲。视频来源:UKAEA/EUROfusion

是什么让你的团队打破了自己的核聚变能量记录?

来自欧洲各地的数千名科学家、工程师、学生和工作人员共同努力，完成了1997年在牛津郡UKAEA基地完成的核聚变实验记录的两倍多。

JET在1997年获得的能量纪录是22兆焦耳的热能。从那时到现在的结果是一个真正的挑战。这个JET结果特别值得注意，因为我们汇集了所有必要的成分——燃料组合、更相关的壁材料和ITER相关的场景——为世界上第一个具有高能量输出的持续D-T等离子体。

新的墙壁材料尤其需要科学家们付出难以置信的努力来学习如何管理这些材料所带来的日益增加的杂质挑战。此外，在实验前的几年里，工程师们投入了大量的工作来升级系统，为氚的使用做准备，并最大限度地提高机器上的诊断数量——结果是获得了大量的科学数据，这将有助于ITER和整个聚变社区。

在发展实用核聚变方面取得了重大突破。这对低碳能源的未来意味着什么?

这些具有里程碑意义的成果让我们朝着攻克最大的科学和工程挑战之一又迈进了一大步。这是对我们与欧洲各地合作伙伴20多年研究和实验的奖励。

最终，核聚变有望在长期内提供一种近乎无限的绿色电力来源，它使用的是可以在全球范围内采购的少量燃料，而且本质上是安全的，因为它不会启动失控的过程。

随着通过能源生产脱碳来应对气候变化影响的压力越来越大，这一成功是朝着核聚变路线图迈出的重要一步，核聚变是一种安全、高效、低碳的应对全球能源危机的手段。

目前核能的局限性是什么?这项研究如何证明在彻底改变其未来方面至关重要?

核聚变可以在JET上完成。然而，要想经济可靠地将核聚变电力接入电网，需要解决几个主要挑战的技术解决方案:

• 抗高能中子轰击的结构材料
• 等离子表面材料，可以承受强烈的热负荷
• 最大限度地减少维护时间的机器人维护系统
• 设计和制造能够在聚变环境中发现的独特条件组合下存活的部件
• 繁殖、储存和使用足够数量的放射性氚燃料以供连续运行的能力

UKAEA正在通过其MRF、MAST-U、RACE、FTF和H3AT设施(见Q11)在所有这些领域开展前沿工作(与英国工业供应链)。

图片来源:UKAEA/EUROfusion

在你的研究过程中，你遇到过什么挑战吗?这些挑战是如何克服的?

这是一场极具挑战性的比赛，在我们达到创纪录的表现之前，我们一直坚持到比赛结束。

在大流行期间，由EUROfusion的30个成员参与的科学家进行一项泛欧洲实验需要一些调整——通常每个人都可以在场，但这一次我们必须学会如何远程完成很多工作。

在技术方面，同时运行所有JET系统的最大性能是一个挑战，这是我们需要的顶级等离子性能，但我们最终做到了。

你认为未来10-20年核聚变能在哪里?

我希望在我的有生之年能看到核聚变发电进入电网，UKAEA的每个人都在尽最大努力加速这一进程。无论这一里程碑是在未来10年、20年还是30年实现，在这一成就的基础上推出数百座核聚变发电厂都需要更多的时间，就像任何新的能源生产技术一样。但很明显，核聚变是21世纪后半期向电网提供大量连续无碳电力的少数选择之一^圣因此，我们必须将其与其他可持续能源一起开发。

这个项目的下一步是什么?

在接下来的几年里，我们将分析所有来自这个实验活动的数据，并将它们发表在科学文献中。毫无疑问，这将导致在JET和其他由EUROfusion控制的欧洲聚变装置上进行后续实验。

这些实验的记录和科学数据是ITER的重大推动，ITER是JET的更大更先进版本。ITER是一个位于法国的大型聚变研究项目。进一步论证了核聚变能的科学技术可行性。

这些结果为ITER下一阶段的实验和未来的示范工厂提供了极大的信心，例如英国的STEP计划，欧盟的DEMO，以及其他几个旨在将电力送入电网的公共和私人项目。

UKAEA的其他实验和设施也将在将聚变能源接入电网方面发挥至关重要的作用。这些包括:

• 英国的国家实验“MAST升级”(MAST Upgrade)被用于演示一个排气系统，该系统能够管理等离子体产生的强烈热量，使组件寿命更长。
• 材料科学在MRF。该设施开发和检查材料，可以承受核聚变发电厂内的苛刻条件。
• H3AT的燃料处理——研究氚的加工、储存、分配和回收，氚是未来商业发电厂的燃料之一。
• RACE是UKAEA的一个部门，开发和提供可以在具有挑战性的环境中使用完全远程技术运行的机器人，这对维护核聚变发电厂至关重要。
• FTF的创新工程，该设施将在现实聚变条件下测试组件，以推进聚变发展

乔·米尔恩斯的采访。视频来源:UKAEA/EUROfusion

读者在哪里可以找到更多的信息?

https://ccfe.ukaea.uk/

新闻发布会链接:https://www.youtube.com/watch?v=H99hvPlC4is

关于乔·米尔恩斯医生

2000年，我作为一名毕业生加入了UKAEA。我的背景是机械工程和热水力建模。在我在UKAEA的职业生涯中，我在JET、MAST-U和ITER担任过各种工程和管理职位。除了我目前作为JET运营主管的角色外，我还主持或建议对全球其他核聚变设施进行审查。