先鋒核聚變反應堆關閉

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位于英國牛津附近全球最早的核聚變反應堆——歐洲聯合環狀反應堆（JET）日前在運行40年后退役了。在JET未來長達17年的拆除過程中，研究人員將獲得前所未有的細節，并利用這些知識確保今后的核聚變發電廠是安全和經濟上可行的。

“我們開始認真考慮聚變發電廠的整個生命周期。”英國原子能管理局（UKAEA）相關負責人Rob Buckingham說，該機構負責監督JET。

核聚變利用兩個輕原子核結合成一個較重的原子核并釋放出巨大能量，該過程可以為人類提供近乎無限的清潔能源。在發電廠中為核聚變創造條件并利用由此產生的能量需要復雜的工程，而這些工程在安全和經濟可行上尚未得到證實，這意味著實現商業核聚變發電還需要幾十年時間。

JET之所以重要，是因為該設施是ITER的試驗臺。ITER是一座耗資220億美元的聚變反應堆，建于法國，旨在證明在本世紀30年代將聚變作為一種能源的可行性。JET為ITER的建造材料和燃料的選擇提供了信息，并且對于預測更大規模的實驗將如何進行至關重要。

正在法國南部建造的核聚變裝置ITER。圖片來源：Shutterstock

JET的拆除退役最棘手的部分是處理其放射性成分。與核裂變不同，核聚變過程不會留下數千年的放射性廢物。但JET是世界上為數不多的使用大量氚的實驗之一。氚是氫的一種放射性同位素，被用作核聚變裝置的燃料，其半衰期為12.3年，核聚變過程中釋放的高能粒子可能會使該成分具有數十年的放射性。

美國麻省理工學院的等離子體物理學家Anne White說，停止核聚變實驗并不意味著“把視線范圍內的一切都推成瓦礫，并且在很長一段時間內不讓任何人靠近實驗地點”。相反，工程師的首要任務是重新使用和回收零件，這將包括在可能的情況下去除氚，并允許氚被重新用作燃料，“這種稀缺資源的可持續循環利用具有經濟意義”。

最終，物理學家將利用從JET退役中獲得的知識，改進他們如何將回收利用納入英國正在計劃的商業反應堆原型——球形托卡馬克的設計中。這些信息也將影響未來的監管。

JET和ITER都是“托卡馬克”反應堆，它們將氣體限制在環形腔中。JET使用磁鐵擠壓氫同位素等離子體，其溫度是太陽的10倍，直到原子核聚變。國際上第一次停用類似核聚變裝置是在1997年，當時美國普林斯頓等離子體物理實驗室的托卡馬克聚變試驗反應堆關閉。許多部件，如向反應堆注入熱氣體束的設備，都被重新使用。

JET的科學家希望總體上減少浪費，但他們面臨的主要挑戰就是了解氚的位置，并將其去除，包括從托卡馬克內部的金屬瓦中去除。JET的工程師將使用翻新的機器人系統移除樣品瓦片并進行分析，然后使用遠程操作的激光器來測量實驗樣品中有多少氚。White說，和氫一樣，氚是一種“能穿透所有物質的氣體，我們需要確切地知道氚能穿透多深”。

JET今年的研究將回收和分析60塊墻磚，這是4000多個組件中的一部分。“我們可以利用這些信息從實驗室規模的研究轉向工業規模的工藝研究，未來幾年還將從JET中移除的許多噸瓷磚和組件進行碎屑處理。”White說。

為了從金屬中提取氚，工程師將在熔爐中加熱組件，然后在水中捕獲釋放的同位素。氚可以從水中去除并重新轉化為燃料；剩下的材料成為低水平廢物，與大學和醫院產生的放射性廢物分類相同。