歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（JET）將執(zhí)行一系列氘氚核聚變實驗，這是未來大型聚變實驗前的一次重要彩排。位于英國的一座尖端反應(yīng)堆正在籌備核聚變混合燃料的關(guān)鍵性測試，這種燃料將最終點燃“國際熱核聚變實驗堆”（ITER）——全球規(guī)模最大的核聚變項目。
太陽釋放的能量即來自核聚變反應(yīng)，如果物理學(xué)家可以在地球上駕馭它，它將成為取之不盡、用之不竭的能源。
JET研究人員已經(jīng)開始用氚進行核聚變實驗。來源：EUROfusion （CC BY 4.0）
JET研究人員于去年12月開始用氚（氫的一種稀有放射性同位素）進行核聚變實驗。JET 反應(yīng)堆是參照價值220億美元的ITER計劃、按1：10體積比建造的模型，它也采用了目前世界上最先進的核聚變落地方案——甜甜圈形狀的托卡馬克式設(shè)計。這是自1997年以來科學(xué)家們第一次在托卡馬克環(huán)里用顯著量的氚進行實驗。
今年6月JET將啟動等比例氘氚混合物聚變實驗（氚是氫的另一種同位素）。ITER計劃正是寄望于用這種混合燃料實現(xiàn)史無前例的聚變反應(yīng)，實現(xiàn)能量輸出大于輸入。反應(yīng)堆需要加熱并約束氘氚混合等離子體，直到這些同位素聚合為氦時釋放的熱量能維持聚變反應(yīng)。
“這些年一直在準備的事情終于到了實戰(zhàn)節(jié)點，真是令人興奮，”JET課題組領(lǐng)隊之一Joelle Mailloux說，“我們準備就緒了。”
試運行
JET的實驗將幫助科學(xué)家們預(yù)測ITER的托卡馬克會遇到的各種情況，以便更為精準地設(shè)定后期大型實驗的運行參數(shù)。ITER首席科學(xué)家Tim Luce介紹說，“以目前的裝備來看，這是最接近ITER狀態(tài)的實驗。”他說這些實驗是約20年奮斗的成果。ITER位于法國卡達拉舍附近，它將于2025年啟動低能量氫核反應(yīng)。但從2035年開始它將開始使用1：1比例的氘氚混合燃料。
JET隸屬于英國牛津附近的卡拉姆聚變能研究中心（CCFE）。ITER和JET都是通過極強的磁場將等離子體束縛在環(huán)狀軌道中并加熱至引發(fā)核聚變。JET工作溫度可以達到1億度，數(shù)倍于太陽核心溫度。
全球上一次用氚進行托卡馬克核聚變實驗的地方也是JET?當(dāng)時的目標是打破能量峰值紀錄，最終其能量輸出輸入比（Q值）成功突破了0.67。該紀錄保持至今，Q值達到1意味著能量收支平衡。而今年的目標是將量級相當(dāng)?shù)木圩兡芰烤S持5秒或更長時間，以獲取盡可能多的數(shù)據(jù)并理解維持時間更長的等離子體的行為。
使用氚的難度很大——JET研究人員花費了兩年多時間更換設(shè)備零部件以準備好應(yīng)對放射性物質(zhì)。這種同位素衰減很快，只以極微量存在于自然界，常規(guī)來源是核裂變反應(yīng)堆的附產(chǎn)品，其全球產(chǎn)能僅有20公斤。
氚難以處理的部分原因在于：相比純氘的反應(yīng)，氘氚混合物反應(yīng)的中子生成率要高得多。商用反應(yīng)堆捕獲這些中子的能量來產(chǎn)生電能。但對于JET，這些高能粒子會持續(xù)轟炸設(shè)備內(nèi)壁并損壞檢測系統(tǒng)。CCFE領(lǐng)隊Ian Chapman說，這意味著JET團隊不得不為攝像頭等儀器增設(shè)堅固的保護罩。
Chapman說“我們需要更新或重新設(shè)計每個流程”，從如何存儲到如何操作都要重來。一旦氚燃料實驗開始，中子轟炸會導(dǎo)致設(shè)施內(nèi)部區(qū)域具有放射性，其后18個月不能有任何人進入。Chapman告訴我們，項目成員必須適應(yīng)類似于航天工程師的思維方式：“你沒法置身現(xiàn)場解決問題，它必須一鍵啟動到位。”
分批注入的氚
此次JET會注入不到60克的氚并加以回收利用。托卡馬克里每天會將1克氚按3到14次分批注入混合燃料。Mailloux說，每次加注都是一次不同參數(shù)的實驗，會產(chǎn)生3到10秒的有用數(shù)據(jù)。“我們希望用得到的物理信息來驗證已有的認知，再據(jù)此準備后期設(shè)備。”她說。
某些實驗只使用氚，另一些實驗則使用氘氚的等比例混合物。兩種實驗都很重要，因為該項目的一個關(guān)鍵目標是理解氚的較大質(zhì)量如何影響等離子體的行為（氚核有兩個中子，氘有一個而氫沒有）。這將幫助預(yù)測在ITER中使用不同同位素的效果。同位素的質(zhì)量會影響達到“等離子體約束”狀態(tài)所需的磁場、電流、外部熱源等條件。（等離子體約束狀態(tài)下，高能粒子被束縛在電離氣體中，這對于維持等離子體溫度至關(guān)重要）。麻省理工學(xué)院的Anne White說：“我們想要理解這些影響和它背后的原因。”
與1997年實驗的另一個主要區(qū)別是，JET內(nèi)部用以保護設(shè)備免遭熱輻射和中子轟炸、吸收等離子體中雜質(zhì)的材料被更換成了和ITER一致的設(shè)計。由于這些材料也會反向輻射到等離子體中并引起冷卻，所以了解它們?nèi)绾斡绊懢圩冞^程至關(guān)重要。
Chapman說新生代聚變物理學(xué)家從沒有和氚打過交道，這讓本次實驗的運行顯得格外重要。“這次的實驗非常重要，人們都在等著看呢。”Luce補充道。
