工业应用可以促进聚变能研究

在牛津郡的一小部分地方，你可以在10分钟内从典型的田园牧歌式的乡村生活到恒星心脏的热量。茅草屋、宁静的溪流和世界Poohsticks锦标赛的标志让位于安全屏障、实用的建筑和高耸的堡垒状结构:Culham创新中心，世界领先的核聚变研究中心之一。

堡垒包含JET，即欧洲联合环面，是地球上为数不多的能够进行核聚变的地方之一。JET是ITER的模型，ITER是一个大得多的环形反应堆，目前正在法国南部建设，10年后，它可能会为科学和工程领域最有前途但却难以实现的目标之一指明道路:从核聚变中产生清洁能源。

但是能量并不是核聚变反应堆内部过程的唯一产物;两种形式的氢结合在一起形成氦。这会释放出能量爆发，但同时也会释放出两个高能中子。对于能源研究来说，这会带来一些问题:大量快速移动的中子(称为中子通量)轰击反应堆壁，需要仔细选择材料;这些粒子需要减速以消除它们的能量;此外，还需要厚厚的混凝土屏蔽来保护人类免受它们产生的辐射。

然而，中子也有它们的用途，在离JET大楼的巨大墙壁几码远的地方，有一个规模较小的大厦，里面住着一家刚刚起步的公司，托卡马克解决方案公司，该公司的目标是将核聚变作为商业前景来开发这些神秘的基本粒子。该公司认为，使用核聚变作为中子源，可以在能源应用之前将该技术推向工业主流，使其成为一个具体的事实，而不是一个研究愿望，并使其在政府和金融家中更具可信度。

首席执行官David Kingham说，核聚变产生的中子可以应用于医学和放射性核废料的处理。他还声称，将核聚变引入工业也有助于解决目前困扰核聚变能源的一些紧迫的技术问题。该公司最近从一群投资者那里获得了17万英镑的资金，用于开发其想法。

“我认为，福岛核事故的一个严重而长期的副作用将是全球医用同位素短缺。”

大卫·金汉姆，托科马克解决方案

金汉姆说:“过去有一种感觉，认为核聚变的挑战是如此巨大，只有当你拥有巨大的核聚变能源潜力时，它们才有理由这么做。”他补充说，一些人认为核聚变能是如此重要，以至于探索其他潜在用途会分散注意力。然而，JET的一位研究员、俄罗斯物理学家米哈伊尔·格里兹涅维奇(Mikhail Gryaznevich)相信，核聚变一定有其他应用，而且，开发这些应用可以为核聚变能研究提供有价值的数据。

金厄姆说:“米哈伊尔开始考虑中子，特别是处理核废料的中子。”在裂变反应堆产生的废物中，有一种叫做锕系元素的重金属:这组元素包括铀和钚，但也包括镅和镎等金属。这些元素的放射性持续时间很长，半衰期超过1万年。然而，众所周知，用高能中子轰击它们会迫使放射性原子核分裂，形成其他放射性只持续几年或几十年的元素，使它们更容易储存，直到辐射危害下降到安全水平。

金厄姆说:“米哈伊尔的愿景是在五到十年内建成一个可用作强大中子源的反应堆，让我们有办法处理核废料。”但我们在过去一年左右的时间里得出的结论是，我们可以采取一系列较小的步骤来实现这一目标，在每个阶段引入额外的复杂性。

托卡马克解决方案公司的目标是生产“超紧凑型”托卡马克——一种甜甜圈形状的聚变反应堆，它利用磁场来限制和操纵热等离子体，即从原子中剥离电子而产生的带电粒子的气体汤。

物理学家艾伦·赛克斯(Alan Sykes)说:“我们正在研究球形托卡马克，它是在卡勒姆研发的。”赛克斯与金汉姆和格里兹涅维奇共同创办了这家公司，也是英国核聚变研究的重要人物。“这些设备比JET和ITER等大型甜甜圈形状的反应容器更简单。相反，他们使用的是圆柱形线圈，磁线圈通过中心的垂直管。你可以把等离子体的形状想象成一个被挤压的甜甜圈，所以它是一个球体，中间有一个小孔。”

第一个球形托卡马克是START(代表“小紧展弦比托卡马克”)，在1997年建成，赛克斯的理论工作表明球形结构可以更有效地利用磁场。赛克斯补充说:“我们根据每单位磁压下能容纳多少等离子体来测量托卡马克的效率。”“磁压力很昂贵，你需要的越少越好。当我们建立START时，事实证明我们是正确的。我们的效率比之前的记录高出三倍，并获得了漂亮的等离子体。”

托卡马克解决方案公司的计划是开发一系列球形托卡马克，其设计基于START及其继任者MAST(代表“百万安培球形托卡马克”)。金厄姆说:“最初，我们会提供一个小型反应堆，只是为了产生等离子体，没有核聚变。”“这将是等离子体科学的研究机器，全世界大约有250个等离子体研究中心。”我们认为我们能够提供这些直径约为1米的产品，价格不到100万美元。“这种选择可能包括由高温超导体制成的磁体，在液氮温度下工作;托卡马克解决方案公司的投资者之一是超导体专家牛津仪器公司。这将使托卡马克的运行成本更低，因为它将减少产生磁场所需的电量。

下一阶段将把反应堆扩大到约3米——相当于MAST的大小，约为ITER拟议直径的五分之一——并增加一些设备来加热等离子体，这是诱导聚变的关键阶段。尽管磁场限制了等离子体，但除非等离子体有能量克服原子核之间的电磁斥力，否则聚变无法发生。据Sykes说，JET和其他地方已经开发了等离子加热方法，但需要进一步开发以降低设备的成本。

使用氘等离子体(氢的形式包含一个质子和一个中子)将在相对较小的规模上产生聚变，产生约2MW的中子通量，或每秒1018个中子。金汉姆说:“这足以让我们考虑在医学上使用中子。”这里有几个应用，其中之一是用于核医学的放射性同位素生产，用于成像和癌症治疗。目前，在荷兰、波兰、比利时、法国和南非的五个研究性裂变反应堆中生产了这些反应堆。他还说，我认为福岛核事故的一个严重而长期的副作用将是全球医用同位素短缺。他说，本来就存在短缺，只能通过延长这些反应堆的使用寿命来缓解。金汉姆认为，核聚变可能是解决这种短缺的关键技术。

另一种可能性是麻省理工学院(MIT)和芬兰奥塔涅米(Otaniemi)正在试验的一种叫做中子俘获疗法的技术。这包括将硼原子或钆原子附着在靶向并与肿瘤细胞结合的分子上，然后向肿瘤发射一束中子。中子诱导硼或钆产生局部辐射，破坏它们所附着的细胞，而不影响邻近组织。目前，中子由麻省理工学院和奥塔涅米附近的核反应堆产生。金汉姆说，这受到中子源可用性的限制。“但你可以在离临床设施足够近的地方使用紧凑型托卡马克，在一个小型设施中进行适当的筛查和放射安全。”

使用氚的超紧凑聚变核源可能是更安全处理核废料的关键

下一阶段是在托卡马克中使用氚。氚-氘聚变比氘-氘聚变效率高得多，中子通量将增加80倍;然而，氚具有放射性，需要特殊处理。金汉姆说:“我们会遇到影响ITER等项目的同样的研究问题。”“比如可以长时间承受中子通量的材料，以及反应堆内可以利用中子轰击从锂中产生氚的系统。但球形托卡马克是研究这些问题的一个很好的研究工具。我们认为，有了早期阶段的经验，我们将处于一个很好的位置来解决这个问题。在某种程度上，强大中子源的合理客户是ITER及其后续组织，以测试他们的材料，开发他们的系统，并获得运行核聚变机器的经验。”

使用氚的超紧凑聚变中子源可能是更安全处理核废料的关键，也是另一项拟议核技术的重要组成部分:聚变-裂变混合反应堆。在目前的裂变反应堆中，反应堆内始终需要临界质量的裂变物质，因为这提供了触发裂变链式反应的中子通量。但如果聚变反应堆被用作中子源，它可以在裂变反应堆内产生中子通量，其中包含的可裂变物质数量较少，远远低于临界质量。这些亚临界反应堆可以降低运行裂变反应堆的风险，中子轰击将破坏产生的废物元素，同时提供了一种处理现有核废料的方法。

Gryaznevich说:“我们并不是在创造捕获中子的新技术。“这是一项成熟的技术，需要进行调整。这些反应堆可以帮助我们解决核聚变能的问题。我们只需要造出托卡马克。我们知道如何做到这一点，使用它们可以为我们提供所需的资金和经验。”