长达24年的可控核聚变纪录再一次被打破！在今年2月9日，英国牛津郡附近欧盟联合聚变中心(简称为JET)的科学家宣布，他们通过可控核聚变产生了有史以来最高的持续性能量脉冲，比他们在1997年实验结果的两倍还多。“这个具有里程碑意义的实验结果使我们离征服人类历史上最大的科学和工程学难题——可控核聚变——又迈出了一大步”，伊恩·查普曼在一份声明中说，他是JET项目的负责人之一。如果研究人员能够成功利用可控核聚变，就有望为人类社会提供一种近乎无限的清洁能源，但直到目前为止，还没有一项可控核聚变实验产生的能量能够超过维持核聚变所需要投入的能量。尽管JET的研究结果也没有改变这一点，但是他们提出了一个后续的聚变反应堆项目蓝图，这个项目会使用与JET相同的技术——价值220亿美元的ITER（国际热核聚变实验堆计划），ITER计划在2025年开始聚变实验，并最终能够实现这一宏伟目标。
托卡马克装置
基于JET二十余年的实验结果，科学家们可以预测并推动ITER项目的进行，在麻省理工学院工作的等离子体物理学家安妮·怀特主要研究用于可控核聚变的托卡马克装置，这也是JET和ITER项目使用的装置。托卡马克装置是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，有一个类似于油炸圈饼的形状，它的名字Tokamak 来源于俄语“环形”，是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿奇莫维奇等人在 20 世纪 50 年代发明的。
JET和ITER项目都是通过在托卡马克装置中用磁场限制等离子体，这种等离子体本质上是一种由氢同位素（氚和氘）组成的过热气体。在加热和加压的条件下，氢同位素聚变成氦，并以形成中子的形式释放能量。
氚和氘的混合物
为了打破之前的能量纪录，JET使用了一种由等量氚（Tritium）和氘（Deuterium）组成的燃料——这种混合物后续也会为正在法国南部建造的ITER提供动力。氚是氢的一种稀有的放射性同位素，当它与同位素氘融合时，反应产生的中子比单独氘燃料之间的反应要多得多，这大大增加了输出的能量。
在2021年12月21日的一项实验中，JET的托卡马克装置在5秒的聚变“脉冲”中产生了59兆焦耳的能量，比1997年在4秒内释放的21.7兆焦耳能量高出近一倍多。JET的等离子体科学家费尔南达·里米尼说，“尽管1997年的实验仍然保持着峰值功率的记录，但实验的平均功率还不到最近一次测试的一半。”
功率比
功率比Q，是指可控核聚变的输出能量和输入能量的比值，Q等于1时意味着输出能量和输入能量一样多。要使可控可聚变能够实现商用化，必须要实现Q大于1，即输出能量要比输入多，Q越大效果就越好，这也是ITER科学家们的研究目标。
去年美国能源部的国家点火装置（NIT）创造了一个新的核聚变记录，与JET和ITER的托卡马克装置不同，国家点火装置使用激光技术实现核聚变，这个记录使得核聚变的输出能量达到了输入能量的70%。这是激光核聚变的里程碑，打破了JET 在1997年实现的纪录。但令人遗憾的是，这一纪录是短暂的，只持续了不到40亿分之一秒的时间。
JET最新的实验结果能够将Q维持在0.33并且持续5秒，相比来说JET是新ITER装置的缩小版，其体积只有ITER的十分之一，就像浴缸和游泳池相比，ITER科学家普罗尔说，“由于JET的装置过小，导致它很容易失去热量，科学家从来没有期望它在核聚变过程中能达到收支平衡”。她进一步补充，“但是JET的装置原理是可行的，如果新的ITER装置采用与JET相同的结构设计和工作条件，它可能会达到Q等于10的目标，即产生10倍于输入的能量。”
然而，事实上可控核聚变研究人员的工作依然任重而道远。例如，一个仍待解决的问题是处理ITER反应堆产生的巨大热量。事实上ITER的散热区面积将比之前所有的可控核聚变装置更大，然而散热区增加的面积与需要增加的散热量相比仍然是小巫见大巫。ITER的科学家普罗尔无奈，“目前我们正在研究哪种设计方案最能承受高温，但显然研究人员还毫无头绪。”
本文参考Nature文章，“Nuclear-fusionreactor smashes energy record”，如有兴趣还可查阅原文。
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