歐洲核聚變大突破！創最大輸出紀錄！還幹了一件以前不敢幹的事
你知道這是什麼嗎？仔細看，仔細聽……
說出來你可能不敢相信，恭喜你！看到了傳說中的人造太陽核聚變火焰，聽到了氘氚粒子融合成氦的狂暴聲音，相信絕大多數人可能還是第一次看到，第一次聽到，就問你激動不激動？但你看到的也是這個裝置最後的輝煌了，你見證的是一段歷史的結束，別擔心，沒有發生爆炸，裝置也沒有被摧毀，但它即將用16年的時間來拆毀，感覺有點奇葩啊，爲什麼要拆16年呢？
這是去年10月3日，世界上最強大的託卡馬克裝置之一，英國牛津郡卡勒姆核聚變中心的歐洲聯合環狀反應堆（JET）最後一次氘氚聚變實驗的內部情形，到12月18日整個實驗全部結束，JET已宣佈退役，永久關閉。
就是在最後這一次實驗中，科學家們幹了一件以前想幹但卻不敢幹的事情，讓JET創造了一個新的世界紀錄，它用0.21毫克的燃料，維持了5.2秒的核聚變反應，產生了69兆焦耳的能量，打破了它自己2021年創造的59兆焦耳的核聚變裝置最大輸出能量紀錄。69兆焦爾相當於19.2兆瓦的電力輸出，英國原子能管理局的米哈伊爾·馬斯洛夫稱，這可以同時爲12,000個家庭供電5秒鐘。
那麼這個能量究竟是多少呢？這0.21毫克燃料產生的能量，相當於16.5公斤TNT炸藥爆炸釋放的能量，或者是2公斤煤炭完全燃燒產生的能量，是不是不明覺厲？不過它未能打破核聚變Q值紀錄，也就是輸出能量和輸入能量之比。
Q值紀錄是美國國家點火裝置去年創造的，1.89，但輸出能量只有3.88兆焦，不過兩個裝置路線不同，JET是磁約束託卡馬克，而國家點火裝置是慣性約束激光點火。然而JET卻保持着磁約束的Q值世界紀錄0.67，而這一紀錄早在1997年就實現了，迄今沒有任何託卡馬克裝置能夠打破。
核聚變簡單來說，就是你要想辦法讓兩個原子擠在一起，融合成一個原子，由於會損失約0.7%的質量，因而會根據愛因斯坦的質能方程，釋放出質量乘以光速平方的巨大能量，你可以腦補一下，光速就已經不得了了，再平方一下那還得了！但說起來容易，做起來卻比登天還難，你拿兩個磁鐵，把它們相同的磁極完全靠攏試試？
原子的合併就是原子核的合併，而原子核帶正電，會像同磁極一樣互相排斥，不同的是，你非要把同磁極硬擠壓在一起，它們最終會碎裂或消磁，而原子核中有一種力叫強力，只是作用範圍極短，如果你把兩個原子核擠壓到強力的作用範圍，它們就會瞬間改變主意，融合在一起，核聚變也就發生了，這就是俗話沒說的，強扭的瓜更甜。
託卡馬克就是人類製造出來強扭瓜的，它用磁場把核燃料約束起來，不斷加熱形成高溫等離子體，粒子就在裏面瞎碰亂撞，只要溫度足夠高，密度足夠大，維持時間足夠長，總有一些粒子會撞到強力作用範圍內，成爲幸福的一家人，釋放出“愛情”的激烈火花，我們就可以用它們的“愛”來發電了。
JET就是這樣的裝置，它於1983年建成，是第一個用氘氚燃料運行的反應堆，1997年輸入24兆瓦時，創下了最接近收支平衡的Q值紀錄0.67，產生了16兆瓦時的能量。
那麼爲什麼這幾十年來，全世界那麼多國家，建了那麼多託卡馬克裝置，都沒有打破這個Q值紀錄呢？因爲這實在太難了！我前面說的溫度要足夠高，密度要足夠大，維持時間要足夠長，也就是所謂的核聚變三重積，時間×溫度×密度要達到約3.5×10^28 K·秒/立方米，纔可能取得收支平衡，而目前最大的託卡馬克三重積紀錄，是1996年日本的JT-60創造的1.77×10^28 K·秒/立方米，還差了整整一半。
而且這三個條件是相輔相成的，不是一味地提高其中一個、兩個就能成功，比如溫度和密度就是相反的，你把等離子體溫度升高，密度就會降低，因爲你磁場是一定的，粒子就會向外飛，甚至撞到腔壁上，溫度就會下降，或者約束不好失控，等離子體也就散了，維持時間也就結束了。
所以還有兩個紀錄，一個是最高溫度紀錄，來自美國的TFTR和日本的JT-60，分別在1995年和1996年達到5.1億度和5.22億度，中國的東方超環2021年5月實現了1.2億度101.2秒的約束時間，12月實現1056秒的最長約束時間紀錄，但溫度只有7000萬度。
一些人甚至擔心，這個三重積可能根本就是無法達到的，比如密度是和體積成反比的，而體積和半徑的三次方成正比，這意味着隨着溫度升高，等離子體半徑稍微擴大一點，密度就會急劇下降，這還怎麼三重積呢？所以需要建造磁場越來越強的託卡馬克裝置，國際熱核聚變裝置（ITER）就是這樣設計出來的，等離子體大半徑6.2m，小半徑2.0m，遠超目前的任何託卡馬克裝置，目標是將10億度的等離子體維持500秒以上，輸入50兆瓦，產生500兆瓦的核聚變能量，也就是1800兆焦耳，相當於現在JET最後一個紀錄的26倍，Q值等於10。
ITER預計在2025年建成並運行第一個等離子體，2035年開始全氘氚實驗，如果三重積真的是無法達到的，那麼這幾百億美元，人類歷史上第二大合作典範，第一大是國際空間站，也就打水漂了，我們的人造太陽終極能源夢就可能徹底熄火。
所以歐洲對此也是焦心如焚，想方設法壓榨JET的殘餘價值，因而在最後一次實驗中，幹了一件以前從來不敢幹的事情。我們都知道JET是D形託卡馬克，也就是磁鐵形狀是D形而不是圓形或橢圓形，等離子體的截面看起來也是D形，這是普林斯頓大學研究出來的，被稱爲普林斯頓D線圈，認爲D形磁鐵會讓張力更平衡，等離子體可以更好地抵抗垂直磁場擾動，減少垂直磁場的約束要求，從而更穩定，並且D形截面結構相對簡單，容易製造和維護，所以後來的託卡馬克基本都是這種形狀，日本JT-60，美國TFTR，中國東方超環，乃至最大的大Boss國際熱核聚變裝置ITER，都是D形線圈。
歐洲最後一次幹了什麼不敢幹的事呢？他們把等離子體形狀變成了反D形，也就是“ꓷ”形，由於腔壁不是爲這種形狀設計的，而等離子體溫度上億度，這意味着有可能會對腔壁造成損傷，通過這種測試，他們可以獲得更多等離子體邊緣穩定性的數據，從而防止能量爆發到達腔壁，爲未來ITER運行中保護腔壁提供參考。
簡而言之，就是這個東西反正要拆了，最後一次大家就放飛自我吧，壞了就壞了，反正也不會爆。那麼爲什麼只維持了5秒的核聚變呢？因爲磁場線圈設計就是這樣的，超過就會導致磁鐵過熱，我估計甚至可能導致燒燬，不知道都是最後一次了，爲什麼不乾脆完全放飛自我呢？是不是過熱就自動停止了呢？
然後就是JET的退役計劃看起來也很奇葩，要用16年的時間慢慢拆，邊拆邊看ITER的實驗，然後從中尋找一些有價值的東西，比如等離子體與內壁是如何相互作用的，高能中子輻照下的材料性能，影響等離子體約束的因素等等，榨取它最後的剩餘價值，這些都是未來研究和商業反應堆需要的重要信息，拆完了，ITER差不多也該出成果了。當然，最主要的原因我估計可能還是JET太複雜、太龐大，幾十年的實驗下來，裏面積累了大量放射性物質，具有很高的風險，需要各種創新的技術和設備，以及環評和許可等等，所以需要時間來慢慢拆。
最後是我以前製作的一個表格，比較了世界上曾經和正在運行的，6個主要託卡馬克裝置的參數和成就，可以看出JET迄今還是已建成裝置中規模最大的，日本剛剛升級完成的JT-60SA和它規模差不多，也是設計爲ITER做實驗的，JET可以“拆”而瞑目了，放心地去吧，帶着榮譽和成績，如果未來人造太陽成功了，世界擁有了無盡的清潔能源，人們都會懷念你的。
