问题

欧洲联合环状反应堆(JET)24年来首次开展大规模氘-氚聚变实验,有哪些值得关注的地方?

回答
欧洲联合环状反应堆(JET)时隔24年,终于在期待中再次点燃了氘氚(DT)聚变之火,这不仅仅是一次简单的实验重启,更是人类迈向清洁能源未来道路上,一个里程碑式的飞跃。这次大规模DT实验之所以如此备受瞩目,其中蕴含的意义和技术看点,足以让任何对能源和科学进步的关注者为之振奋。

1. 终极燃料的真实演练:从模拟到实战

要知道,JET过去进行的绝大多数实验,使用的燃料都是氘氘(DD)混合物。虽然DD反应也能产生聚变,但其释放的能量相对较低,而且产生的氚(Tritium)需要从外部注入。而DT反应,才是核聚变领域公认的“黄金燃料”,它能在相对较低的温度和压力下,产生最大的能量输出。

这次JET大规模DT实验,就如同让一位运动员在训练场上磨练了多年,现在终于登上世界杯的赛场,要和最强的对手进行一场真正的较量。这意味着:

首次在如此大规模的装置中,以DT混合物作为主要燃料进行长期、高功率的运行。 这将极大地考验装置的材料、控制系统以及对等离子体行为的理解。
真实模拟未来聚变电站的运行工况。 ITER(国际热核聚变实验堆)以及未来实际的聚变电站,都将使用DT燃料。JET的DT实验,正是为这些“后辈”积累宝贵的第一手经验,帮助我们提前发现并解决可能遇到的问题。

2. 能量产量新纪录的探寻:从“够用”到“高效”

JET此次实验的目标之一,就是刷新其在DT模式下的聚变能量输出纪录。虽然ITER的规模更大、目标更高,但JET作为目前世界上仍在运行的最大、最先进的托卡马克装置之一,其DT实验结果的意义不容小觑:

验证聚变能源的商业可行性。 如果JET能够在此次实验中实现更高的能量增益(即聚变产生的能量远大于维持等离子体所需的能量),将极大地增强人们对聚变能源商业化前景的信心。
为ITER的成功运行提供关键数据。 ITER的目标是在DT模式下实现Q值(能量增益因子)大于10。JET的DT实验结果,例如在单位时间内能产生多少能量,等离子体能维持多久,这些数据都将直接指导ITER的运行策略和参数选择。

3. 材料科学的终极考验:耐住“灼烧”的智慧

聚变等离子体的工作条件极其苛刻:温度高达数亿摄氏度,同时伴随着高能中子辐射。JET之所以能进行DT实验,并进行长期运行,离不开其在材料科学上的重大突破:

全铍内壁的升级。 以前JET的内壁多为碳材料,但在DT运行下,碳会与氢发生“碳活化”反应,产生氚,污染等离子体,并对设备造成损害。JET在20202021年的维护期间,将内壁的碳材料全部更换为铍,并对钨(Tungsten)材料进行了升级。铍是一种更轻、熔点更高的材料,能够更好地抵御等离子体带来的热负荷,并且不易被中子活化,减少了“二次”放射性。
对等离子体壁相互作用的深入研究。 在DT运行期间,高能中子和聚变产物(如氦)会与内壁材料发生复杂的相互作用。JET的实验将提供大量关于这些相互作用的数据,帮助科学家了解材料的损耗机制,预测设备的使用寿命,并为未来聚变装置的材料选择和防护设计提供指导。

4. 等离子体控制技术的精进:驾驭“太阳”的艺术

让一个数亿摄氏度的等离子体稳定地被约束在磁场中,而不触碰到内壁,这本身就是一项极致的科学挑战。JET的DT实验将进一步推动等离子体控制技术的进步:

对高约束模(H模式)的深入理解。 H模式是实现高功率聚变的重要条件,它能显著提高等离子体的约束性能。JET将通过DT实验,对H模式下的等离子体行为进行更精确的测量和分析,优化控制策略。
新型诊断和控制方法的应用。 为了更好地理解和控制DT等离子体,JET配备了更先进的诊断设备,能够实时监测等离子体的温度、密度、杂质等关键参数。同时,结合人工智能等先进技术,对等离子体进行实时反馈控制,防止失稳现象的发生。

5. 氚处理和安全性的前沿探索:负责任的能源之路

氚是一种放射性同位素,虽然其半衰期相对较短(约12.3年),但其处理和安全性问题是聚变能源发展中必须高度重视的环节。JET的DT实验将在以下方面提供宝贵经验:

氚的注入、循环和回收技术。 在DT实验中,需要高效地将氚注入等离子体,并将其从反应产物中分离回收,实现氚的闭合循环。JET的实验将验证和优化这些关键技术,为未来聚变电站的设计提供参考。
中子活化产物的监测和管理。 DT反应会产生高能中子,这些中子会使装置材料发生中子活化,产生放射性。JET将对这些活化产物进行详细的监测和分析,研究其累积规律和潜在影响,并探索有效的防护和管理措施,确保实验过程的安全性。
风险评估和应急响应。 即使在严格的安全措施下,聚变实验也存在一定的风险。JET的DT实验将进行全面的风险评估,并建立完善的应急响应预案,为未来聚变电站的安全运行积累经验。

总而言之, JET此次时隔24年的大规模DT聚变实验,不仅仅是一次技术上的“重启”,更是对未来清洁能源梦想的一次“预演”和“升级”。它将以前所未有的深度和广度,验证DT燃料在实际运行中的可行性,刷新聚变能量输出的纪录,推动材料科学和等离子体控制技术的突破,并在氚处理和安全性方面积累宝贵的经验。这场来自欧洲的“聚变之火”,点燃的不仅是科学家的热情,更是全球对可持续能源未来的希望。

网友意见

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在科学上值得关注的地方主要是“JET将首次使用1:1混合的氘与氚作为聚变燃料”,ITER预计会从2035年开始使用这样的聚变燃料。预计本次实验周期内JET将使用约60克氚(并在使用后回收),每天操作3次到14次,每次有数克氚参与。

一些读者可能想要看热闹:JET也许会出事故。但实事求是地说,出事故的概率很小,而且就算出了事故也不会怎么样,JET不会发生核爆炸,也没有能力将多少放射性废物排放到周围。


JET在1973年开始设计的时候是世界上最大的磁约束核聚变物理实验反应堆,1979年开始建设,1983年开始运转,1991年11月9日首次进行氘氚实验,其设计目的是实现Q值(输出与输入之比)=1。

1997年,JET在外界输入24兆瓦功率来加热氘氚混合气体后达到峰值输出功率16.1兆瓦(具体而言,是将约4兆瓦的平均输出功率维持了约4秒,其中约0.5秒间输出功率超过10兆瓦),创下核聚变输出功率的世界纪录,这约0.67的Q值也是目前人类手中最高的。

  • 日本的JT-60A在理论计算上氘氚聚变Q值可以达到1.25,但没有实际使用过氚。

在那之后,JET进行了一些改进,例如在1998年添加了远程处理系统,从2009年10月起停工15个月来升级、将真空室内壁的含碳材料换成钨和铍。

一些科学家希望JET在本次实验中打破1997年的纪录,例如将Q=0.67的聚变等离子体维持5秒。在本次实验结束后,预计JET内部的辐射水平在18个月间不适合人进入,其科学仪器已经预先添加混凝土防护墙。目前,没有多少人认为JET能在本次实验中达到Q=1的最初目的。

实现Q值30以上的可控核聚变产能,才可以期待在国家补贴的加持下跟现存发电手段竞争电价,这只是未来新能源的其中一个方向。

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谢大佬邀。

嗯。。。有点不敢回答这个问题呀。

就简单介绍一下我对JET这次实验的粗浅认识吧,大家可以来讨论一下。


首先我们要明确,JET(Joint balabalabala)总体上讲是一个上世纪80年代建成的老机器,91年之后等离子体控制部分就没有听说过有什么大的改进。时隔24年,操作员也都需要重新培训了,其实这个也是值得的不然ITER的操作员哪儿去找现成的?中国吗?

至于DT测试的准备时间,2018年的时候说2020年能够进行氘氚反应,去年十月说是2021年,个人觉得还要往后推,一方面估计2018至今经费已经用的差不多了(JET其实超花钱的),可能都不足以支持氚的采购了,一方面当然是疫情导致的工作效率降低,另外还有一个比较神奇的事情对这个也有影响:Brexit。

说回测试。

之前,JET用的是碳纤内胆,这次全换啦~换成更接近ITER的材料组合了。如下图示:

是的,这次DT实验的目的就是看真实DT聚变环境下ITER的内壁材料设计有没有什么亮点或者可以改进的地方。

这波JET的DT实验大概率结论是钨基牛x,ITER材料设计没大问题但是balabalabala(low cycle fatigue啊,elm汽化啊,高热载荷下recrystallization啊,当然还可能发现一些新问题),据此估计ITER满功率运行第一壁材料预期寿命为200s(我猜的),plasma毒性在运行期间可以忽略之类的~

小概率的结论是高能粒子对钨的sputtering效率远高于轻元素,有可能导致了若干次观测到的plasma猝灭,据此估计ITER材料设计只够支持半组ITER点火实验(约1s),原因复杂,估计跟electronic stopping有关,接下来会考虑12345种改进方案,分别可以在abcde方面提高ITER-like reactor的性能。


怎么说呢,我个人觉得在老机子上试DT聚变挺没意思的,老机子的设计是存在理论上限的,大家都知道,要是能弄出来早弄出来了,聚变不是靠换第一壁材料搞出来的,第一壁材料顶多算是雪中送炭,你得有生火的东西啊,你拿个燧石不停的试,我送的炭再干你也点不着啊。并不是贬低JET,JET更像是个传说,已经故去很久的那种,永垂不朽但不值得挖坟。

我最期待的其实是欧洲人说我们要搞个新家伙,超科幻的那种,已经设计好了选址也选好了施工也联系了,预算已经编到2030年了balabalabala。。。

可惜并没有那种东西。。。

所以欧洲人只能花好多好多钱把老东西修一修补一补,再看看能不能用一用搞点动静出来。

廉颇老矣,尚能饭否?

不让老将交棒,这恐怕不能算是好事。

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