自然新聞文章 新聞?消息 2024年1月22日 先驅(qū)核聚變反應(yīng)堆關(guān)閉:科學(xué)家將學(xué)到什么 英國(guó)牛津附近的聯(lián)合歐洲環(huán)——ITER的試驗(yàn)臺(tái)——的退役將持續(xù)到2040年，并進(jìn)行詳細(xì)研究。 伊麗莎白·吉布尼帶有遠(yuǎn)程處理抓手的噴射真空容器內(nèi)部視圖。 歐洲聯(lián)合圓環(huán)內(nèi)部空腔內(nèi)襯的金屬瓦受到氚輻射，氚是氫的放射性同位素。致謝:CEA-IRFM/EUROfusion/ZUMA新聞網(wǎng)/Shutterstock 在世界上最重要的核聚變反應(yīng)堆之一開(kāi)始運(yùn)行40年后，科學(xué)家們開(kāi)始將其退役。研究人員將以前所未有的詳細(xì)程度研究英國(guó)牛津附近拆除聯(lián)合歐洲環(huán)形電站（JET）的17年過(guò)程，并利用這些知識(shí)確保未來(lái)的聚變發(fā)電廠是安全和經(jīng)濟(jì)可行的。 監(jiān)管JET的英國(guó)原子能管理局（UKAEA）退役事務(wù)負(fù)責(zé)人羅布·白金漢表示:“我們開(kāi)始認(rèn)真考慮核聚變發(fā)電廠的問(wèn)題?！薄斑@意味著要考慮整個(gè)植物生命周期?！? 利用原子聚變——為太陽(yáng)提供能量的過(guò)程——可以為人類提供近乎無(wú)限的清潔能源。為發(fā)電廠的核聚變創(chuàng)造條件并開(kāi)發(fā)由此產(chǎn)生的能源將需要復(fù)雜的工程，這還沒(méi)有得到證實(shí)，這意味著商業(yè)化的核聚變發(fā)電仍需幾十年的時(shí)間。 但是，隨著人們對(duì)核聚變?cè)絹?lái)越興奮，研究人員正在推進(jìn)第一批商用反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)。2022年，JET打破了核聚變產(chǎn)生的能量記錄。位于加利福尼亞州利弗莫爾的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）——美國(guó)的旗艦核聚變裝置——現(xiàn)在通常從核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的能量超過(guò)投入的能量。NIF的計(jì)算不包括運(yùn)行該設(shè)施的全部能源需求，聚變工廠需要超過(guò)這些需求才能真正“收支平衡”，但物理學(xué)家們慶祝了這些里程碑。 燃料殘余物 JET之所以重要，是因?yàn)樵撛O(shè)施是ITER的一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，這是一個(gè)耗資220億美元的聚變反應(yīng)堆，正在法國(guó)圣保羅-勒茲-杜蘭斯附近建造，旨在證明核聚變作為21世紀(jì)30年代能源的可行性。Jet已經(jīng)決定用什么材料建造ITER以及使用什么燃料，它對(duì)預(yù)測(cè)更大的實(shí)驗(yàn)將如何進(jìn)行至關(guān)重要。 退役飛機(jī)場(chǎng)地最棘手的部分將是處理其放射性成分。與驅(qū)動(dòng)當(dāng)今核反應(yīng)堆的核裂變不同，核聚變過(guò)程不會(huì)在數(shù)千年內(nèi)留下放射性廢物。但是JET是世界范圍內(nèi)使用大量氚（氫的放射性同位素）的極少數(shù)實(shí)驗(yàn)之一。氚將在包括ITER在內(nèi)的未來(lái)聚變工廠中用作燃料，它的半衰期為12.3年，其輻射以及聚變過(guò)程中釋放的高能粒子可使部件在幾十年內(nèi)具有放射性。 劍橋麻省理工學(xué)院的等離子體物理學(xué)家安妮·懷特說(shuō)，停止核聚變實(shí)驗(yàn)并不一定意味著“把視線范圍內(nèi)的一切都夷為平地，并且長(zhǎng)時(shí)間不讓任何人靠近該場(chǎng)所”。相反，工程師的首要任務(wù)將是重復(fù)使用和回收零件。白金漢說(shuō)，這將包括盡可能去除氚。這降低了放射性，并允許氚作為燃料重新使用?！斑@種稀缺資源的可持續(xù)回收利用具有經(jīng)濟(jì)意義，”他說(shuō)。位于法國(guó)南部圣保羅-勒茲-杜蘭斯的ITER托卡馬克建筑工地上的托卡馬克坑。 世界上最大的核聚變實(shí)驗(yàn)——ITER的托卡馬克坑正在法國(guó)南部建造。供稿:新華網(wǎng)/Shutterstock 最終，物理學(xué)家將利用從JET退役中獲得的知識(shí)來(lái)改進(jìn)他們?nèi)绾螌⒒厥绽们度肭蛐瓮锌R克能源生產(chǎn)（STEP）的設(shè)計(jì)中，這是英國(guó)正在計(jì)劃的一個(gè)商業(yè)反應(yīng)堆原型。他說(shuō)，這些信息還將影響未來(lái)的監(jiān)管。放射性甜甜圈 杰特和ITER都是“托卡馬克”反應(yīng)堆，將氣體限制在甜甜圈狀的空腔中。JET使用磁鐵擠壓比太陽(yáng)熱十倍的氫同位素等離子體，直到原子核融合。核聚變界上一次停用類似設(shè)備是在1997年，當(dāng)時(shí)位于新澤西州普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的托卡馬克聚變?cè)囼?yàn)反應(yīng)堆關(guān)閉。許多部分，如向反應(yīng)堆注入熱氣體束的設(shè)備，以及場(chǎng)地本身都被重新利用。但是托卡馬克必須用混凝土填充、切割和掩埋。 噴氣科學(xué)家希望留下很少的廢物。白金漢說(shuō)，主要的挑戰(zhàn)是了解氚在哪里，并從材料中去除氚，包括從托卡馬克內(nèi)部的金屬瓦上去除氚。JET工程師將使用新翻新的機(jī)器人系統(tǒng)移除樣品瓷磚進(jìn)行分析。他們將使用遙控激光來(lái)測(cè)量留在實(shí)驗(yàn)中的樣品中氚的含量。白金漢說(shuō)，像氫一樣，氚是一種“穿透所有材料的氣體，我們需要知道氚到底穿透了多深”。 JET今年的研究將恢復(fù)和分析60塊墻磚——4000多個(gè)部件中的第一塊。“我們可以利用這些信息從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究轉(zhuǎn)向工業(yè)規(guī)模的過(guò)程，以消除未來(lái)幾年將從JET中清除的數(shù)噸瓷磚和組件，”他說(shuō)。 破壞性國(guó)家 為了從金屬中提取氚，工程師將在爐中加熱組件，然后在水中捕獲釋放的同位素。氚可以從水中去除并轉(zhuǎn)化為燃料；剩余材料成為低級(jí)別廢物，與大學(xué)和醫(yī)院產(chǎn)生的放射性廢物的分類相同。包括樹(shù)脂和塑料在內(nèi)的其他材料正在測(cè)試這一工藝的變體。 JET的研究人員正在探索如何處理低放射性廢物以及更少量的中等放射性廢物——在這些廢物中，核衰變發(fā)生得更頻繁。這些遺骸的選擇包括重新處理廢物，將其轉(zhuǎn)移到特殊的處理場(chǎng)所或儲(chǔ)存起來(lái)，直到其衰變到較低的放射性水平。JET的一些未受影響的部分，如診斷和測(cè)試設(shè)備，已經(jīng)在法國(guó)、意大利和加拿大的聚變實(shí)驗(yàn)中重新使用。 在去年12月的最后實(shí)驗(yàn)中，JET大獲成功?？茖W(xué)家們探索了以一種可能更容易限制熱量的方式逆轉(zhuǎn)等離子體的形狀。他們還通過(guò)發(fā)射高能“失控”電子束（等離子體破裂時(shí)產(chǎn)生）猛撞反應(yīng)堆內(nèi)壁來(lái)故意損壞設(shè)施。 “打開(kāi)機(jī)器后，對(duì)損壞的分析將提供有用的數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試詳細(xì)的預(yù)測(cè)，”JET科學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Joelle Mailloux說(shuō)。 https:///10.1038/d41586-024-00135-3