融合的工厂

世界上最大的核聚变实验获得了新生。位于牛津附近Culham科学中心的联合欧洲环面反应堆(JET)在关闭18个月后重新启动，以更换整个反应堆衬里，目前正在收集对其继任者ITER的建设和运行至关重要的数据。ITER目前正在法国南部建设。

ITER——这个名字不是缩写，而是拉丁文“下一个”的意思——旨在成为第一个实现自我维持运行并产生净能量的核聚变反应堆;也就是说，比运行它所需的能量还要多。像JET一样，它将是一个托卡马克:一个环形(甜甜圈形状)容器，它使用强大的磁场来约束由氢原子构成的等离子体，同时通过注入微波来加热等离子体，在环周围推动电流并注入更多氢原子的快速流。最终，磁压力和热克服了等离子体中氢核(具有相同电荷)相互排斥的倾向，它们被迫一起形成氦核，释放出大量能量和高能中子。

这被称为“磁约束”，是目前世界各地正在尝试的两种核聚变形式之一，旨在确定核聚变是否能成为一种实用的发电方式。JET是世界上唯一能够处理氚的托卡马克，氚是氢的放射性形式，原子核中有两个中子，是核聚变的关键，因为它与单中子形式的氘结合形成氦核。它已经多次实现了这一目标，但在JET和ITER之间仍存在一些技术障碍。

“我们尝试的第一个脉冲直接达到了1MA，持续了15秒——我们惊呆了。”

其中之一，直到最近，是反应堆衬里。和世界上大多数托卡马克一样，JET的内衬是碳纤维复合材料的瓦片。然而，这条衬里对于ITER来说是无用的——事实上，是灾难性的。

碳是小型实验托卡马克很好的衬里，Guy Matthews解释道，他是JET的“iter样壁”项目的负责人。正在运行的托卡马克内部发生核聚变的条件会侵蚀反应堆内壁，把原子从内壁上剥落下来，抛到等离子体中。“等离子体倾向于拥有低原子数的杂质;也就是说，没有太多电子的原子。”马修斯解释道。“当一个原子进入等离子体并完全电离时，电子会稀释等离子体——每个电子会取代一个氘或氚原子。”

碳是一个很好的选择，因为它的原子序数很低——它有6个电子——而且石墨对高温有弹性。但是当涉及到氚时，由于碳的复杂化学性质，问题就出现了。释放到等离子体中的碳原子与氢反应生成碳氢化合物，碳氢化合物在反应堆壁上沉积。当氢的形式包括氚时，这些碳氢化合物是放射性的。“你积累了一个氚库，把它困在机器的壁上，这就变成了一个辐射问题、安全问题和经济问题;氚供应有限。而且你还得想办法把它从墙上取下来。”

这在JET中不是问题，因为它的体积相对较小(直径约2米)，等离子体脉冲持续时间较短(通常只有几十秒)，所以碳氢化合物的积聚很少。但ITER和后续的代级托卡马克反应堆将是它的10倍大，运行时间也更长，典型的ITER脉冲持续时间约为15分钟。由于JET是ITER技术唯一的实用试验台，开发和测试一种新型等离子体面壁的任务落到了那里的团队身上。

马修斯说，材料的选择相当有限。“如果你想避免碳化学，你必须看元素周期表的低端。但大多数金属的熔点都很低，在工程上没什么用处。即使是铝，比你想的要重一点，在600°C时也会融化。但如果你再看看铍，就会发现它非常特别。”

铍可能是最轻的工程材料。它在1300°C的温度下熔化，比铝轻，比钢硬，已经被用于高度专业化的工程应用，主要是在太空和国防领域;例如，詹姆斯·韦伯太空望远镜的主反射镜是由铍制成的。“这里有一个专业的铍工程行业;它不大，但确实存在，”马修斯说。“欧洲有几家公司，美国也有几家，主要经营铍铜等合金，但也使用纯金属。”

碰巧的是，JET有使用铍的经验。工厂的第一任主管Paul-Henri Rebut在早期委托了一些铍等离子表面元件，Culham有大约4吨纯金属的库存。马修斯说，这刚好够做新衬里。

铍是一种难以加工的金属。它不仅危险，而且非常脆，这不利于核聚变反应堆内部，在那里它将遭受多次加热和冷却的循环;这会在材料内部产生应力，从而导致开裂。为了避免这种情况，铍砖经过精密加工。它们被划上了网格图案的深线，这可以防止压力的积聚，而且表面有角度，这样等离子体的热量就不会直接冲击到表面。马修斯说，因为我们有几十秒的脉冲，金属的热容足以吸收能量，并将其传导到反应堆外壳中。“ITER中的瓦片必须是不同的，它们的结构中包含了主动冷却系统。我们本来可以这么做，但会复杂得多，成本也会高得多。”

反应堆中唯一没有内衬铍的部分是环面底部的沟槽，称为分流器，在那里等离子体中的粒子直接与壁相互作用并失去能量。这一区域铺着钨瓦，因为较高的金属原子量防止原子在轻氦核与它们碰撞时发生位移。

碳是一个很好的选择，因为它的原子序数低，但当涉及到氚时，问题就出现了

马修斯解释说，衬里的更换必须一次完成，因为反应堆内的任何碳都会迅速覆盖在表面，使铍失效。这个过程花了18个月，大部分是使用远程处理设备进行的，因为中子轰击使反应堆的外壳具有放射性。他补充说:“这无疑是核聚变技术中完成的最大的远程操作任务。”

马修斯说，自从JET重新启动以来，新隔离墙的效果非常显著。“通常情况下，要让第一批等离子体正常运行是有点困难的。JET只能容纳0.1g等离子体，我们不需要太多杂质来搅乱它;它需要一段时间来建立一个百万放大器左右的功率。但我们尝试的第一个脉冲立即达到了1MA，持续了大约15秒，部分原因是铍也有助于清洁反应堆内部的真空;它将氧气从系统中清除。我们都惊呆了。”