核聚变、JET和ITER:你的问题已经回答了

感谢所有向ITER团队提问的《工程师》杂志的读者，ITER是一个目前正在法国Cadarache建设的证明磁约束核聚变可行性的项目，它的前身和试点项目，位于牛牛郡Culham的联合欧洲环面(JET)。

1997年，JET创造了使用氘-氚(D-T)核聚变产生最大功率(16MW)的世界纪录，氘-氚是第一代核聚变发电厂的燃料。经过一段时间的升级后，该项目正准备尝试打破这一纪录。

后续项目ITER(国际热核实验反应堆)将尝试更进一步，产生比启动该过程所需更多的能量。

这两个项目的专家为您的问题提供了答案，您将在这里看到。《工程师》将继续报道这个迷人的项目，以及目前在美国正在进行的间隙限制或激光核聚变的平行努力。

核聚变(包括废物)的安全和环境危害是什么，你们有什么保护系统来处理这个问题，它与核裂变工厂相比如何?

在聚变反应中使用的燃料本质上比在裂变中使用的燃料危险更小。核聚变的典型输入燃料将是氘和氚，这两种都是氢的同位素，而后者具有放射性。反应的产物将是氦和快中子。中子可以激活它们所经过的物质。作为一种放射性气体，氚是一种能量极低的β发射器，其半衰期约为12.6年。然而，它的流动性很强，可以污染它所接触的大多数材料。所有的核聚变机器都各不相同，但位于牛津郡Culham的JET和正在法国Cadarache建造的ITER内部面向等离子体的壁都主要由铍构成。铍是一种有毒的金属，如果微小的粒子被吸入，就会对健康造成重大危害。

在实践中，这意味着与运行JET或ITER相关的主要危害是铍污染、快中子辐射、氚和从机器中取出的部件中的激活产物。反应不可能达到临界状态——托卡马克的重大故障和真空的损失只会导致等离子体的损失，从而导致反应的熄灭。在反应过程中，中子通量的水平是这样的，当机器运行时，所有人员都被排除在生物屏蔽(厚混凝土安全壳)内。机器的所有操作和维护由卫生物理工作人员监督，他们监测氚和铍的水平，必要时宣布受辐射和/或铍污染的控制区或监管区。

关于浪费，首先要说的是，产生的浪费相对较少，大部分来自维修活动或在重新配置当前的研究机器时产生的冗余部件。废料的主要问题是来自氚和活化产物的放射性污染，这将是相对短暂的。虽然许多废物将低于被认为是放射性废物的阈值，但有一些低水平废物和非常小的比例将被归类为中级水平废物。然而，在100年左右的时间内，所有这些材料都可以回收或常规处理，不会留下长期的放射性遗产供后代处理。

科林·希梅尔，卡勒姆核聚变能源中心保证部主任

ITER不会产生任何长寿命的核废料。辐照材料将在限制桶内转移到封闭、屏蔽的隔间(“热室”)。在热电池内部将进行一些操作，如清洁和灰尘收集，分解，翻新和处理。这些废料被分类为中等水平，将被存储在ITER热池中。所有这些程序都是ITER初步安全报告中提出的操作的一部分，因此也要作为许可过程的一部分提交给法国核安全局进行审查。

ITER的分解系统被设计用于从液体和气体中去除氚，以便重新注入燃料循环。剩余的废水将远远低于批准的限制:ITER向环境释放的气态和液态氚预计每年将低于10µSv。这远远低于ITER每年100 μ Sv的一般安全目标，比法国每年1000 μ Sv的监管上限低100倍。科学家估计，我们每年接触的自然本底辐射约为2000西沃特。

ITER的反应

为什么要花这么长时间来重新进行氘和氚(D-T)燃料的实验?你是如何克服你所经历的问题的?

绝大多数的JET实验只使用氘——这使我们能够研究我们需要的大部分物理。JET在1991年、1997年和2003年进行了氘和氚(D-T)的实验，并计划在未来几年进行进一步的D-T实验。由于D-T核聚变中子会在JET容器内产生放射性，而由于退役要求，JET容器的累积放射性是有限的，因此在JET容器中氚的总体使用是有限的。在1997年的D-T实验中遇到的一个问题是碳基沉积物中氚在容器内的滞留。JET通过安装所有金属等离子表面组件解决了这个问题，避免了碳的使用。

EFDA-JET高级科学顾问Duarte Borba

最近有报道说，你计划用于ITER的超导磁体线圈缠绕有问题。这个问题解决了吗?进展是什么

Madeon磁铁制造商?

ITER磁体的制造取得了重大进展。350多吨环形磁场导体(Nb_3.Sn链)，相当于所需总量的75%，已由6个成员生产。这是世界上有史以来最大规模的生产。此外，中国、欧洲和俄罗斯联邦生产了65吨极向磁场导体(25%的供应)。确实，我们在制造极向磁场线圈方面有一些延迟，这是由于签订合同的复杂性，而不是由于任何技术问题)，也花了一些时间为中心螺线管(ITER托卡马克的大中心磁铁(变压器))开发高性能导体。但工作进展顺利。欧洲在环形磁场线圈绕组方面也取得了良好的进展。ITER成员仍在讨论在将环形磁场线圈装配到托卡马克之前在低温下进行测试的可能性。这些讨论是正常的，不被视为一个大问题。所有缔约方仍致力于在各方面实现ITER计划。

ITER的反应

核聚变能以一种不同的方式用于驱动蒸汽涡轮机发电吗，无论是商业发电还是其他小众应用asspacecraft推进?

多年来，许多人都建议将核聚变用于航天器推进。这些想法包括使用从反应堆容器中喷出的高能量等离子离子(就像火箭喷气一样)的各种直接推进器，以及在太空中使用与我们所设想的发电反应堆大致相似的反应堆，驱动传统的电加速氙气(等)等离子推进器。

类似于今天的核潜艇反应堆的船用推进装置也被研究过。目前有效的核聚变功率增益比例定律导致机器设计具有大质量，不适合移动应用，但也许在未来会出现更有利的经验比例，这样的应用可以实现。其他应用包括:从单一核聚变发电厂联合发电和氢气，作为氢气经济的一部分;以及利用聚变能产生热量来种植生物质植物，或在更高的温度下用作工业化工厂的过程热。

伊丽莎白·萨里，卡勒姆核聚变能源中心核聚变技术负责人

核聚变可以用作中子的来源。有了ITER，我们将证明我们可以利用等离子体产生稳定的高能中子流。所以一个有趣的问题是:我们能找到更好的利用这些中子的方法吗?在纯核聚变反应堆中，14兆电子伏的中子在熔覆层中被减慢以产生热量，但它们并没有被充分利用。另一种解决方案可能是利用它们可观的能量在一个包含一些裂变燃料的包层中诱导裂变反应，如天然铀(u238)或钍。通过这样做，产生的能量可以乘以10倍。这就是“混合反应堆”的意义所在。

ITER的反应

JET如何推动了材料科学的发展，为JET创造的材料还有哪些其他可能的应用?

JET必须开发材料技术来实现其目标。“ITER-like Wall”项目提供了一个很好的例子，说明了各种挑战和解决方案，该项目涉及用iter相关的铍和钨替换JET机器的碳纤维增强碳衬。采用真空铸造高强度铬镍铁合金625制备支撑大块铍砖的载体。在此之前，传统的观点是，由于气体被困在泄漏的空隙中，铸造组件将无法在超高真空中生存，但真空铸造之后进行HIPing(高压退火)生产出完全可接受的组件。JET对铍加工的要求也将该技术推到了需要研发线材侵蚀极限和消除加工过程中沉积在狭窄特征中的锌和铜的方法的地步。为了在转向器(机器底部的高热负荷区域)中创建全钨表面，必须开发一种新的工艺，在二维碳纤维材料上涂上薄层钨，这是具有挑战性的，因为材料的各向异性膨胀会在一个方向上压缩涂层，并在高温循环过程中向另一个方向拉伸。

这些材料相关的发展在JET已经被证明非常成功。很难说这些发展将如何用于其他领域，但我们知道，通过要求制造企业走出他们的正常舒适区，并在整个过程中支持他们，我们确实有助于提高他们的能力，并给他们信心，争取在未来更有挑战性的工作。

Guy Matthews, EFDA-JET的“ITER-like Wall”项目负责人

使核聚变技术商业化的最大障碍是什么?在ITER之后我们需要采取什么步骤才能达到这个目标?

创建一个商业上可行的核聚变发电厂面临许多挑战，这是一个从等离子体物理到制造到经济的许多系统的复杂集成，这些系统错综复杂地连接在一起，没有一个实体可以被确定为“主要障碍”。

最有趣的挑战之一是开发能够承受核聚变反应堆恶劣环境的材料和制造工艺。在核聚变反应堆中，高水平的快中子辐照会在原子结构层面造成破坏，并通过核嬗变产生杂质。这影响了材料的体积性能，因此由于材料在整个机体中的性能变化，结构设计非常复杂。当加上高热流通量和表面侵蚀率时，这些影响使最常见的结构材料无法使用;一些用于聚变应用的特殊合金已经被开发出来，但还需要更多的工作。

伊丽莎白·萨里，融合技术主管，卡勒姆聚变能源中心

为了使核聚变能源在商业上可行，未来的核聚变反应堆将需要产生能量的正平衡，利用等离子体长达数小时，避免使用过于昂贵的材料，最后但并非最不重要的是，找到能够承受核聚变发电厂预期的巨大热负荷和中子通量的材料(一些因素高于ITER)。ITER项目的目标是获得设计下一阶段装置所需的知识:示范核聚变发电厂。在ITER中，科学家们将在类似于未来发电厂的条件下研究等离子体。ITER将是第一个产生净功率的核聚变实验;它还将测试包括加热、控制、诊断和远程维护在内的关键技术。

但ITER本身并不是目的:它是通向第一个示范大规模生产电力和氚燃料自给自足的工厂的桥梁。这是ITER之后的下一步:示范发电厂，简称DEMO。这种机器的概念设计可能在2020年之前完成。如果一切顺利，DEMO将引领核聚变进入工业化时代，在21世纪30年代初开始运行，并最早在2040年将核聚变发电投入电网。实际上，讨论的不是一个DEMO概念，而是不同国家开发的几个概念。我们可以在这里提到最近的在洛杉矶的国际原子能机构讲习班．

ITER的反应

你对核聚变发电何时能够为电网供电的最佳估计是什么时候?

欧洲最新的核聚变能源实现路线图预测，将在本世纪40年代初建成一座示范核聚变发电厂，并网发电。JET已经演示了核聚变发电——然而，持续发电并以具有竞争力的价格发电的挑战是相当大的。这种挑战很大程度上涉及到开发合适的材料，使其在未来核聚变电站充满挑战的环境中保持健壮和坚固。

EFDA-JET高级科学顾问Duarte Borba

在获得足够的燃料以运行一个行业的发电厂方面可能会有任何问题吗?如果有，我们将如何解决这个问题?

核聚变发电厂将使用的燃料是氘和氚。氘是从海水中提取的，因此供应几乎是无限的。氚是一个更大的问题，因为它的自然丰度很低，必须在核反应堆中从锂中生产。一个核聚变反应堆以40%的热效率产生1GW(e)，每天将燃烧约0.5公斤氚，氚的燃耗分数约为3%，因此必须循环15公斤氚来产生1GW(e)。鉴于目前世界民用氚储量约为30公斤，核聚变反应堆必须有一个高效的氚繁殖系统。这一方案是在核聚变发电厂的托卡马克周围铺上含锂的毯子。

目前正在开发的技术利用熔合过程中产生的中子和陶瓷-铍基质中的锂之间的反应，或作为LiPb共晶液体。铍和铅充当中子倍增器，因为熔覆层必须在每个入射的聚变中子(氚繁殖比，TBR)上产生一个以上的氚原子，才可存活。迄今为止的模拟表明，1.2左右的tbr可能是可以实现的，但到目前为止，还没有14MeV的足够强度的中子源来测试这些设计。氚也可以通过等离子体驱动离子进入壁的作用和扩散效应被困在核聚变装置内。这增加了所需的TBR;在需要TBR~1.3碳壁的情况下，这是未来托卡马克放弃这种材料的原因。显然，除了有效的TBR外，氚的有效回收和再循环对核聚变经济是必要的。

伊丽莎白·萨里，融合技术主管，卡勒姆聚变能源中心

理论上，有足够的燃料运行全球的核聚变工厂。然而，如果目的是使用氘和氚的混合物，你必须解决氚供应的问题。氚实际上不存在于自然界中(它的半衰期为12.5年)。所以成功依赖于在反应堆内培育氚。ITER运行后期的任务之一是通过所谓的“试验覆盖模块”(TBM)计划，论证一个或多个氚生产概念的可行性。TBM计划将建立在氚育种研究的基础上，这些研究已经进行了数年，特别是由在该领域拥有大量专业知识的欧盟进行的。积累的知识使人们有很高的信心相信ITER的结果将有助于下一代设备的氚完全自给自足。参见我们的TBM视频．

ITER的反应

在您看来，政界人士对融合的支持是在增长还是在下降?

政治上的支持有所增加，尤其是在中国和韩国，这两个国家对商业融合的渴望最为强烈。欧洲的支持依然强劲，这是至关重要的，因为欧洲贡献了ITER近一半的成本。在英国，得到了英国政府首席科学家约翰·贝丁顿爵士和科学大臣大卫·威利茨的大力支持。

EFDA-JET高级科学顾问Duarte Borba

我认为它是稳定的。考虑到当前的困难(经济危机等)，这实际上是一个非常好的结果。然而，国家与国家之间存在着很大的差异。例如德国，它反对核裂变，却对核聚变非常挑剔。

ITER的反应

有几位读者质疑，把如此大笔的资金投入到一个已经耗时多年、不太可能拍出广告的项目上，是否有价值解决我们未来几十年的能源需求(如果有的话)。你会对他们说些什么，以说服他们核聚变是一项值得投资的投资，特别是与其他已经证明的替代能源技术(如可再生能源)相比?

能源是我们生活的一个基本方面，也是世界经济的一个关键组成部分，因此在各种形式的替代能源生产研究上的支出应该比目前高得多。考虑到全球能源市场的规模，以及如果我们现在不进行投资，未来几代人将面临的问题的规模，目前在核聚变和其他替代系统上的支出几乎可以忽略不计。

由于太阳能和风能等可再生能源时断时续，在缺乏可行的能源储存解决方案的情况下，限制了它们用于大规模发电。因此，需要更多的研究来进一步发展风能和太阳能技术，以及第四代裂变站、碳捕获和存储和聚变的发展。

随着能源需求以惊人的速度增长，核聚变能源有潜力为基本负载电力生产提供长期的对环境负责的解决方案。今天，在JET，将等离子体加热到2亿度，以可控和可预测的方式启动和维持聚变反应，并了解和改善等离子体性能是一项相当常规的操作。ITER的设计目标是达到至少10倍的能量增益，并且应该证明核聚变发电厂是可行的。这意味着，从本世纪中叶开始，核聚变将提供一种宝贵的额外能源选择。

在大卫·麦凯的《没有热空气的可持续能源》一书中，他谈到核聚变时说:“在世界人口增长十倍的情况下，每天3万千瓦时的能量(超过美国平均消耗量的100倍)足够为每个人提供100万年的氘。”正是这种潜力证明了核聚变计划的合理性。

EFDA-JET高级科学顾问Duarte Borba

这很简单:我们不能不做ITER，也不能不努力证明核聚变可以成为地球上的一种新能源。如果ITER成功，它不仅将打开地球上一种新能源的大门，还将打开世界和平的大门，因为地球上大量的氢(聚变燃料)库存有望缓解地缘政治紧张局势。在资金方面，ITER的建设成本估计为130亿欧元。这要除以34个国家和10年。因此，这在该成员的预算中是一个很小的数额。

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