全球最大核聚变装置ITER,即将启动彩排实验JET!

能源一直人们关注的话题,从科学家到普通大众,从小公司到国家,能源是社会前进的源动力。

自清洁能源和核电能源之后,“核聚变” 近日也成了热门的话题,源于欧洲联合环状反应堆(JET),将在今年 6 月份,进行氘氚核聚变实验。

图 | JET 的研究(来源:euro-fusion)

简单来说,核聚变反应是一种产生能量的方式。太阳释放的能量就是核聚变反应,人们现在所使用的能源,大部分是太阳在历史时期和现在释放的能量。如果物理学家能够掌握核聚变反应的方法,在地球上制造几个 “小太阳”,那么地球上的资源将取之不尽,用之不竭。

就今年 6 月份即将到来的 JET 实验能否成功这一问题,科学家和大众投入了许多目光。国际热核聚变实验堆(ITER)耗资高达 220 亿美元,全球 40 多个国家参与,而 JET 是迷你版的 ITER 计划。

虽然 JET 的建造早于 ITER, 不过这一轮的升级改造中,效仿了很多 ITER 装置的先进设计。但其体积只有 ITER 计划体积的 1/10,它采用托卡马克式设计,也是迄今为止、全世界范围内,最先进的核聚变落地方案。

为了解科学家们的观点,以此让大众对未来能源产生方式有更正确、更深刻的认知,DeepTech 采访了 3 位领域内的青年研究学者。这些青年学者,有的本身就在 ITER 计划项目组工作,有的在读博期间曾参与过 ITER 计划,有的是能源领域的学者,但他们的研究领域都与新能源相关。

根据访谈结果,3 位青年学者都期待今年 6 月份,因为疫情而延后的 JET 实验,都持积极的支持态度,认为 “只要 JET 实验顺利进行,不管最终实验数据如何,都是人类在核聚变领域的一次重大进步。”

图 | 庞大、精密、复杂的 ITER 一拖再拖,反复跳票(来源:Oak Ridge National Laboratory)

关于 JET 实验和 ITER 计划的关系,科学家和学者们都认为,JET 实验是 ITER 计划启动之前的彩排,而这也是十分必要的。因为 ITER 计划是多国合作、造价高昂的国际性大项目,为保险起见,更为 ITER 计划能够顺利进行,提前进行 JET 实验是必不可少的。

此外,科学家们对 JET 实验结果的数据十分期待。十几年前,研究核聚变的科学家们,曾做过氘-氚(D-T)核聚变实验,他们希望这次的数据比上一次要好,只要达到这一点,JET 实验就是成功的。

卡拉姆聚变能研究中心(CCFE)的领队 Ian Chapman,曾对媒体公开发言称,在 JET 实验中,你没法置身现场解决问题,它必须一键启动到位。为了解 JET 实验和氘 – 氚核聚变反应,DeepTech 采访了中科院等离子体物理研究所研究员郑金星,目前就职于国际热核聚变实验堆 ITER 总部、从事遥操作系统研发的史善爽和康奈尔大学从事新能源领域研究的曹祥坤博士。下文是根据采访整理的领域内青年学者专访,整理的精彩发言:

郑金星:“核聚变”是我心之所系,期待 JET 实验数据

我目前就职于中国科学院等离子体物理研究所,从事核聚变装置超导电物理工程领域研究,负责中国聚变工程实验堆 CFETR 大型超导磁体系统设计研发相关任务,同时也参加了国际热核聚变(ITER)大型超导磁体的研制工作。

JET 实验,不是第一次氘 – 氚核聚变

氘 – 氚(D-T)核聚变可以说是最简单的核聚变之一,也是难度最低、释放能量最小的核聚变反应。根据质量亏损和质能方程式我们可以计算,同等质量的 氘 – 氚(D-T) 核聚变所能释放出来的能量,大约是汽油的 2500 万倍。和平利用核聚变,对于每个能源消耗大国来说,都是一项重大战略项目。

图 | 人工核聚变:不可控的氢弹(左)和可控的 “东方超环”(来源:U.S. Air Force,中国科学院合肥物质科学研究院)

很多国家都在建造可控核聚变反应堆,比如中国的 EAST、日本的 JT60SA、韩国的 KSTAR、美国的 DIIID 装置等。目前 ITER 是全球在建的最大的磁约束核聚变装置,也是人类最大的国际科学合作计划之一,其最终目标是在反应堆里加入氢同位素混合燃料,也就是氘氚 1:1 混合体,实现最大能量增益实验。

其实,今年 6 月份的 JET 实验,并不是第一次的 “氘-氚” 核聚变实验,项目计划方在 2003 年时,做过一次短期的实验活动。当时,只是用微量的氘、氚,做了一些验证性的、前沿性的探索工作。也就是说,今年夏天的 JET “氘-氚” 核聚变实验,距离上一次 “氘-氚” 实验,已经过去 18 年了。

JET 实验的意义

根据 EU-FUSION 前期公布的计划,今年 6 月份 JET 实验所使用的原料中,氘氚、比例是 1:1 。而宏大的ITER计划,最终目标原料也是氘氚混合燃料。因此,本轮JET 氘氚混合燃料聚变实验对于未来ITER氘氚实验积累前期的实验经验和数据库。

2003 年,JET 实验装置“氘-氚”核聚变的能力增益比值是 0.67,这个记录也保持到了现在。本轮 JET 实验想进一步延长“氘-氚”核聚变反应的时间,今年 6 月份的 JET 实验中的“氘-氚”核聚变期望能够维持 5 秒或更长的时间。JET 实验能够帮助科学家获得更多的数据,以分析“氘-氚”核聚变反应的过程,获得一些与物理机制方面的答案。

图 | 托卡马克装置示意图(图源:Jamison Daniel, Oak Ridge Leadership Computing Facility)

本轮 JET 氘氚实验所获得的的相关物理数据,可以更好的为ITER做物理实验相关的前期规划和参考。

多年来,JET 一直在升级,也一直瞄准未来 ITER 实验目标在开展相关的实验,特别是本轮的氘氚实验。历经 18 年,再次做氘-氚核聚变实验,而且是等比例的氘氚混合能量进行实验,这让所有磁约束聚变领域研究的人员都充满了期待。

当然,目前无论是 JET 装置还是 ITER 装置包括正在升级改造的中国“东方超环 EAST ”超导托卡马克装置,在瞄准解决人类终极能源方案的道路上,都面临着大大小小的考验,也都备受外界关注,但是对于未来我们充满信心。无论本轮氘氚实验结果怎么样,这都是一次成功的尝试。

史善爽:只要JET能够成功放电,就是成功

我读了核能工程和机器人专业两个博士学位,分别毕业于中科院等离子体所和芬兰 拉彭兰塔工业大学(LUT University),目前就职于国际热核聚变实验堆 ITER 总部,从事遥操作系统研发,希望自己的所学未来也能够为国内的聚变堆添砖加瓦。

图 | 史善爽在国际热核聚变堆的装配大厅(来源:受访者)

首先需要说明一下,人类距离真正的核聚变发电,乐观估计至少还有 30 到 50 年的时间,路还很长。

目标:能量增益 Q 值大于 1

关于能量增益的 Q 值,JET 曾在 1997 的实验中达到了 0.67,而日本曾宣称在 JT60U 上获得了 Q 为 1.25,不过是氘氘聚变等效换算得到,不是真正意义上的氘氚聚变。

既然理论上验证可行,那么,下一步就是验证工程上的可能性。核聚变是一个极其综合的庞大工程,工程技术上能否实现,有很多难点和盲点需要去研究和验证。这方面,JET 只覆盖了有限的一部分。因此,全球又合作共建了一个更大更全面的装置叫做:国际热核聚变实验堆(ITER),用来全面验证。

图|核聚变装置内部构造(来源:PHYS)

而回到 JET,在 2000 年之后,又做了一些实验,主要为了验证一些关键技术。比如氚的运行、遥操作维护、高功率加热、等离子体控制等。JET 在这之前的很多年,一直处于升级改造阶段,计划于今年下半年开始新一轮的实验,然后估计几年后将彻底退役。

所以可以理解为,JET 这轮实验是填补 ITER 建成之前的空白,同时也为 ITER 在 2026 年的运行积累经验,类似的还有日本的 JT60SA,也是经历了漫长的升级,近期正在准备实验。所以,从我个人观点,只要 JET 能够成功放电,就是成功。

英国人的预期应该是,能取得至少比 97 年更高的参数。至于说 JET 实验的阻碍的话,除了前面提到的氚运行、等离子体不稳定性控制等,还有一个就是:毕竟 JET 是一个几十年前的装置了,各系统能否协同完美运行,可能也是一个变数。

图 | 史善爽在中国 EAST 人造太阳内部(来源:受访者)

氘氚聚变,JET 所面临的难点

最后谈谈该项核聚变实验的关键元素:氚。

氚是核聚变反应的燃料,目前的核聚变主要指的是氘氚聚变。

氚是非常稀有原材料,全球产量大概也只有几十公斤,每公斤得上亿美金。并且,氚的半衰期只有 12.5 年,极不稳定,不适合储存。还有,氘氚聚变会产生大量的中子,中子不带电,无法受到装置磁场的约束,因此这些高能中子,无法像等离子体电流一样被约束在装置的中心,而是会四散逃逸,直接打在装置的内壁(包层和偏滤器)。

图 | 氘 – 氚 (D-T)的核聚变反应产生氦(He)与中子(n)并释放核能(来源:wikicommons)

因为氚的以上特点,这就使得装置内壁将承受极高的热载荷,几十 MW/m2,极易被烧坏,这是氘氚聚变的一大难点之一。此外,中子辐照会活化周围的部件,这给装置的辐射防护和维护带来困难,一旦内部部件损坏,其维护和更换都需要在高剂量的辐照环境下远程操作进行,这是难点其二。

另外,氘氚聚变还有一个更关键的难点,就是氚燃料的来源问题,JET 目前的氘氚聚变,氚燃料完全靠外部注入。而氚极其稀有和难获得,目前世界的产量一来根本不足以供给聚变电站的运行,即使可以供给,也得不偿失。氚太贵了,成本太大!

JET 估计整个实验周期也只会用掉几十克,所以说不要指望 JET 来聚变发电,它只是短暂几秒钟运行一下氘氚实验,初窥门径而已。

为什么是氘氚聚变?

从氘氚聚变这么多技术难点来看,不难发现,其实氘 – 氚聚变(D-T)并不是最理想的聚变方式,之所以选择 D-T, 是因为它在目前人类的技术水平上,最容易实现。

图 | 三种聚变反应的反应截面,代表 D-T 聚变的蓝线所需的温度等三重积条件最容易实现(来源:受访者)

最理想的聚变燃料是氘 – 氦 3 (D-He3), 这种反应能量密度更大,且不产生高辐射的中子,反应容易控制,而且自然界中原料丰富。另外月球上也含有大量的氦 3,等到哪天人类技术成熟,月球说不定会变成一座座极其珍贵的氦矿基地。

但是目前,人类还没有运行过 DHe3 聚变,因为实现它所需的温度和将近十亿度。

目前已有的实验中,美国的 TFTR 和英国 JET 采用氘氚等比例混合物,也是未来聚变电站的主要形式,而日本的 JT60 采用的是纯氘,然后再将反应参数等效换算成氘氚聚变。

未来聚变电站何去何从?

这里将得提到另一项有待攻克的关键技术:氚自持。这也是 ITER 的重要使命,这一关过不了,聚变没有前途。其主要方法是,利用反应产生的高能中子,轰击装置内壁的锂靶,产生氚,再用于支持后续的氘氚反应。也就是说,不需要持续不断地外部注入氚。

曹祥坤:可控核聚变就是“如何点火”和“不烧坏炉子”的事儿,业界期待很高

图 | 康奈尔大学博士曹祥坤(受访者)

我博士期间就读于康奈尔大学机械与航天工程系,从事新能源领域的研究以及商业化应用。我与核工专业的交集,是我在加拿大麦吉尔大学材料系读硕士期间,曾经在美国工程院院士 Mujid Kazimi 教授的邀请下,前往 MIT 核工系做过一年的访问学生及研究助理,在 Michael Short 教授与 Matteo Bucci 教授的指导下,从事核电站反应堆燃料棒包壳材料的研发。

作为一名能源行业的研究人员,我了解到与风能和生物质能等新能源相比,核能在体量上能够更大的满足人类社会的能源需求。而可控核聚变一直是能源领域科研人员多年以来的梦想,对于这个领域我也一直都有关注。

图 | 托卡马克装置示意图(来源:Jamison Daniel, Oak Ridge Leadership Computing Facility)

针对于可控核聚变,我推荐大家可以看一下袁岚峰博士在《科技袁人》中的解读,他把核聚变反应堆比喻一个火炉,第一个问题要解决的问题是如何点火,第二个问题是如何不把炉子烧穿。解决第一个问题可以通过惯性约束激光点火的方式,比如美国的国家点火装置(NIF)和中国的神光 3 号等。

所谓 ITER 技术,就是利用解决第二个问题,利用磁约束来约束等离子体,使得它们不和容器有直接接触,这也就是托卡马克装置实现可控核聚变的思路。聚变材料如果静止,容易烧穿容器,如果运动,又难以聚焦点火,因此,这一过程极难控制。ITER 是世界上最大的托卡马克装置,预计将于 2025 完成组装,于 2070 年前后商业的核聚变反应堆开始发电,未来可期!

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