英国原子能机构揭晓JET氘氚最终实验成果

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JET（Joint European Torus，又称欧洲联合环面）位于英国牛津附近的卡勒姆聚变能源研究中心（CCFE），由英国原子能管理局（UKAEA）运营。JET在1983年正式投入运行，2023年退役。退役前曾是全球规模最大、功率最强的在运托卡马克研究装置。

12月16日，英国原子能管理局发布了一则消息《 JET’s final deuterium-tritium results revealed one year on》。联合欧洲环面（JET）的最终科学实验结束一年后，一些关键的发现浮出水面，它们对于推动未来核聚变机器的发展具有重要意义。

这些发现已经促使96篇研究论文被提交至各类科学期刊，其中18篇在2024年由英国原子能机构（UKAEA）的科学家作为主要作者撰写。JET是最早能够使用氢的同位素（氘和氚）在其燃料混合中产生聚变等离子体的托卡马克装置。这种燃料组合被认为是未来电厂级别的燃料。

JET的最后一次氘氚实验，即“DTE3”，主要关注以下三个领域：

1. 等离子体科学 

2. 材料科学 

3. 中子物理学

DTE3实验取得了几项有影响力的成果，这些成果正在加深我们对等离子体科学的理解，并推进未来托卡马克的操作技术，包括：

等离子体科学

• 显著降低了机器内壁受到的高温冲击，提高了耐用性和效率。 

• 深入理解了托卡马克等离子体边缘发生的周期性不稳定性，即边缘局部模式（ELM），这对于保持等离子体的约束至关重要。 

• 首次成功地通过调整燃料中氘和氚的比例实时控制高聚变功率，这对于维持稳定的等离子体状态至关重要。 

材料科学 

• 首次使用激光技术测量等离子体实验间隙期间沉积在机器内壁上的氚量，使得燃料管理和回收更为精确。 

中子物理学 

• 对中子对各种机器部件的影响进行了深入分析，这是第二次在托卡马克环境中使用电厂级燃料进行的分析。测试涉及的材料包括钨和铜铬锆（CuCrZr）合金以及EUROFER，这些材料因其高热稳定性和低活化特性而被选用。这些发现增强了我们对这些材料在聚变操作期间活化水平预测的信心。

这些研究成果可以在《核聚变》、《核材料与能源》、《等离子体物理》、《等离子体物理与受控聚变》和《科学仪器评论》等多个学术期刊中找到。

DTE3之后的JET实验 

除了这些实验，JET的DTE3实验还为优化极端环境下使用的材料、提高容器内部效率以及下一代聚变机器的设计提供了宝贵的见解。

DTE3实验之后，JET进行了最后的氘-氘实验，在这些实验中，它们推动了JET的操作极限。

一个显著的成就是首次成功地在长达一分钟的脉冲中使用了负三角效应，也称为“倒置等离子体配置”。脉冲是指等离子体在机器内部容器中维持的时间。

负三角效应的使用表明了等离子体性能的改善，增强了等离子体的约束和稳定性。

在聚变等离子体中，负三角效应指的是托卡马克内部等离子体的特定形状。

在这种配置中，等离子体的顶部和底部曲线向内弯曲，呈现出D形的外观。这与更常见的正三角效应形成对比，后者等离子体的顶部和底部曲线向外弯曲。

英国原子能管理局JET科学项目负责人Joelle Mailloux表示：“在过去的一年里，英国原子能管理局进行了数据验证和诊断校准，确保数据质量与2022年和2023年JET实验的卓越结果相匹配。这使得来自包括英国原子能管理局在内的欧洲30个研究单位的300多名EUROfusion科学家能够分析和模拟JET的数据。”

英国原子能管理局卡尔汉姆校区已举办了协作研讨会，以促进DTE3的数据分析，完善对结果背后物理机制的理解，并通过数值模拟探索其对未来使用氘和氚燃料的托卡马克的适用性。未来几年计划举办更多研讨会，以继续这项重要工作。