英國一家實驗室的科學家們打破了在受控、持續的核聚變反應中產生能量的記錄。在英國的歐洲聯合環（JET）實驗中，五秒鐘內產生59兆焦耳的能量被一些新聞媒體稱為“突破”，並在物理學家中引起了相當大的興奮。但是，關於核聚變發電的一個常見說法是，它“永遠是20年後的事”。

田納西大學核工程副教授David Donovan和Livia Casali研究如何發展受控核聚變以達到發電的目的。

JET的结果表明，在对核聚变物理学的理解方面取得了显著进展。但同样重要的是，它表明用于建造核聚变反应堆内壁的新材料按预期工作。新墙体结构表现得如此之好，是这些成果与以往里程碑式的成果的区别，并将磁聚变从一个梦想提升到了现实。

核聚變是將兩個原子核聚合成一個複合核。然後這個原子核破裂，以新原子和粒子的形式釋放能量，並從反應中加速離開。一個核聚變發電廠將捕獲逃逸的粒子，並利用它們的能量來發電。

在地球上有幾種不同的方法來安全控制核聚變。Donovan和Casali的研究重點是JET採取的方法–使用強大的磁場來限制原子，直到它們被加熱到足夠高的溫度，使它們融合。

目前和未來反應堆的燃料是兩種不同的氫同位素–意味著它們有一個質子，但中子的數量不同–稱為氘和氚。正常的氫在其核內有一個質子，沒有中子。氘有一個質子和一個中子，而氚有一個質子和兩個中子。

為使核聚變反應成功，燃料原子必須首先變得如此之熱，以至於電子從原子核中掙脫出來。這就產生了等離子體–正離子和電子的集合。然後需要不斷加熱該等離子體，直到它達到超過1億攝氏度的溫度。然後，這個等離子體必須在一個密閉的空間內以高密度保持足夠長的時間，以便燃料原子相互碰撞並融合在一起。

為了控制地球上的核聚變，研究人員開發了甜甜圈形狀的裝置–稱為託卡馬克–利用磁場來控制等離子體。纏繞在“甜甜圈”內部的磁場線就像火車軌道一樣，離子和電子沿著它“行駛”。通過向等離子體注入能量並將其加熱，有可能將燃料粒子加速到如此高的速度，以至於當它們碰撞時，燃料核不是相互彈開，而是融合在一起。當這種情況發生時，它們會釋放能量，主要是以快速移動的中子的形式。

在核聚變過程中，燃料粒子逐漸漂離熱而密集的核心，最終與核聚變容器的內壁相撞。為了防止內壁因這些碰撞而退化–這反過來也會污染核聚變燃料–反應堆的建造方式是，它們將偏離的粒子引向一個稱為分流器的重裝甲室。這將抽出被轉移的粒子，並消除任何多餘的熱量以保護託卡馬克。

過去的反應堆的一個主要限制是，轉移器無法在持續的粒子轟擊中生存超過幾秒鐘。為了使核聚變發電在商業上發揮作用，工程師們需要建造一個託卡馬克容器，它能夠在核聚變所需的條件下生存多年。

偏濾器壁是第一個考慮因素。儘管燃料粒子在到達偏濾器時要冷得多，但當它們與偏濾器的壁材料碰撞時，它們仍然有足夠的能量將原子撞松。以前，JET的偏濾器有一個由石墨製成的壁，但石墨吸收和捕獲了太多的燃料，無法實際使用。

2011年左右，JET的工程師將偏濾器和內容器壁升級為鎢。選擇鎢的部分原因是它具有所有金屬中最高的熔點–當偏濾器可能經歷的熱負荷比重新進入地球大氣層的航天飛機鼻錐高近10倍時，這是一個極其重要的特性。託卡馬克的內容器壁從石墨升級到了鈹。對於聚變反應堆來說，鈹具有出色的熱和機械性能–它比石墨吸收的燃料更少，但仍能承受高溫。

JET產生的能量成為頭條新聞，但研究人員認為，事實上是新壁材料的使用使該實驗真正令人印象深刻，因為未來的設備將需要這些更堅固的壁來在高功率下運行更長時間。JET是對如何建造下一代聚變反應堆的一個成功的概念證明。

下一個聚變反應堆

JET託卡馬克是目前運行的最大和最先進的磁聚變反應堆。但是下一代反應堆已經在進行中，最引人注目的是ITER實驗，它將於2027年開始運行。ITER–在拉丁語中是”道路”的意思–正在法國建造，由包括美國在內的一個國際組織資助和指導。

ITER將把JET所顯示的許多可行的材料進展投入使用。但也有一些關鍵的區別。首先，ITER是巨大的。核聚變室高37英尺（11.4米），周圍63英尺（19.4米）–比JET大8倍以上。此外，ITER將利用超導磁體，與JET的磁體相比，能夠在更長時間內產生更強的磁場。通過這些升級，ITER有望打破JET的核聚變記錄–無論是能量輸出還是反應運行的時間。

ITER還有望完成核聚變發電站理念的核心工作：產生的能量超過加熱燃料所需的能量。模型預測，ITER將在400秒內連續產生約500兆瓦的能量，而只消耗50兆瓦的能量來加熱燃料。這意味著反應堆產生的能量是其消耗的能量的10倍–與JET相比是一個巨大的進步，JET需要大約三倍於其最近的59兆焦耳記錄的能量來加熱燃料。

JET最近的記錄表明，多年來在等離子體物理學和材料科學方面的研究已經得到了回報，並將科學家帶到了利用核聚變發電的門口。ITER將為實現工業規模核聚變電站的目標提供一個巨大的飛躍。