比太阳还高

英国核聚变项目负责人克里斯•卢埃林•史密斯爵士(Sir Chris Llewellyn Smith)希望在他有生之年看到可行的核聚变发电成为现实。为此，他大力支持国际核聚变项目Iter, Katharine Sanderson报道

核聚变是一项伟大而聪明的技术，它将把我们从充满碳的大气中拯救出来。有人会说，这是对一项已经“近在眼前”50年的技术的乐观看法，但英国核聚变项目负责人克里斯·卢埃林·史密斯爵士正是说服怀疑者改变主意的人。

自2003年以来，卢埃林·史密斯一直担任英国原子能机构(UKAEA)卡勒姆分部的主任——这是牛津郡农村一个大型的、绿树成荫的科学园区。这是他在照看甜甜圈形状的联合欧洲环面(Jet)，有史以来最大的实验托克马克聚变反应堆。喷射产生了短暂的等离子体爆发，产生的能量几乎和它们吸收的能量一样多。

Jet被视为Iter的先驱，Iter是一个国际项目，旨在建造一个实际能提供正功率输出的工作托马克反应堆。Iter项目于2005年6月获得批准，并将于2008年在法国的卡达拉什开始建设。

卢埃林·史密斯(Llewellyn Smith)以相对局外人的身份进入了聚变领域。“我真正了解的是物质在10级范围内的行为^-18年米，”他说。他的学术生涯始于20世纪60年代的英国牛津大学，当时理论高能物理学正变得令人兴奋。他的博士导师理查德·达利茨是最早证明质子和中子是由夸克组成的人之一。“我参与了现在被称为正确粒子模型的诞生，”卢埃林·史密斯(Llewellyn Smith)兴奋地说。

在接下来的30年里，这一领域一直保持着卢埃林·史密斯(Llewellyn Smith)的兴趣，使他在1994年至1998年期间担任欧洲核子研究组织(Cern)总干事。他在建造世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)的项目中发挥了重要作用，LHC将于2007年11月在欧洲核子研究中心启用。

卢埃林·史密斯(Llewellyn Smith)从理论物理学家转变为能源大师的时候，他的职业生涯正处于困难时期。1999年离开欧洲核子研究中心后，他成为伦敦大学学院(UCL)的教务长和院长，但这并不是很成功。卢埃林·史密斯(Llewellyn Smith)在对他的大学计划进行了多次争论后辞职，但他对自己在那里的时光持哲学态度。他说:“我认为我的工作做得相当不错。”但他补充说:“要做好这样一份工作，你真的需要享受它。”

他对核聚变的尝试显然更令人愉快。他说:“我是60年代大多数物理学家的典型，我知道核聚变，但它看起来异常困难。”

现在，卢埃林·史密斯发现自己正处于向别人解释核聚变的位置上，并认为他的新人身份为他的工作奠定了良好的基础。他说，我明白人们不理解的是什么。

艰难的事情

核聚变为太阳提供能量，所以它的能源证书是有保证的。Jet的燃料——氚原子和氘原子的聚变背后的理论已经存在了几十年。棘手的部分是找到方法将极热的等离子体限制在足以发生聚变反应的温度(大约1亿摄氏度)。Llewellyn Smith说，在这一领域已经取得了很多进展，核聚变专家相信这个问题已经被解决了。

下一步是建造一个电站大小的反应堆，可以连续工作。这给材料科学家带来了巨大的挑战。反应堆壁不断受到中子的轰击，当磁场将热等离子体保持在真空中时，等离子体不可避免地会接触到反应堆两侧的某些区域。“在Iter中，真正大的热负荷将在底部，我们谈论的是每平方米10兆瓦的热量，”尤埃林·史密斯说。

Jet的内墙内衬有碳复合瓦，类似于航天飞机机翼上的材料。但是，即使是最坚硬的材料，强烈的条件也会剥离原子，污染等离子体。卢埃林·史密斯说:“碳会大量吸收氚，它会四处移动，这是一个问题。”

一种选择是用铍来制造Iter的大部分内墙，在反应室的底部放置碳和钨瓦，那里的条件最恶劣。卢埃林•史密斯(Llewellyn Smith)表示，无论解决方案是什么，都必须是一种妥协。他解释说:“如果你有重金属，就很难把它们从表面喷出去，所以进入等离子体的污染就更少。”“然而，如果重金属真的进入血浆，它们会造成更大的伤害。”

这是因为像钨这样的重金属与核心电子的结合能更紧密，所以它不一定会被完全电离。“如果里面有一些原子没有完全电离，那么原子跃迁就一直在进行，它们在辐射能量，从而冷却等离子体的核心。“因此，虽然较轻的铍原子更有可能进入等离子体，但它们的能量损失也更小。”这种铍钨组合从未在托卡马克中进行过测试，所以Jet很快就会在反应堆内安装一个类似iter的墙，以观察它如何应对惩罚等离子体。

他说，尽管墙壁上使用的保护材料最终会变得具有很强的放射性，但关键是要选择材料，使反应不会产生长期存在的废物。放射性壁的半衰期通常是10年，所以100年后材料就可以回收利用了。

良好的开端

另一个材料挑战是将Iter连接在一起的上层建筑。Llewellyn Smith说，该领域的一个“重大突破”是发现体心立方(bcc)铁素体钢可能会很好地完成这项工作，因为它不会像传统钢那样在强烈的中子辐射下膨胀。然而，更奇特的材料，如碳化硅，可以在更高的温度下使用是可取的。

一个特殊的材料测试设施计划与Iter一起开发。Llewellyn Smith说，这是建造一个现实的核聚变电站的唯一途径。“Iter是一个实验设备，它不是24小时运行的。你播放20分钟，然后挠头两三个小时，试图找出发生了什么。然后你改变条件，再试一次。”“Iter本身不会提供关于这些材料的关键实验数据。”

该设施必须模拟连续的反应堆条件，这是以前从未做过的。他说:“困难在于，没有任何其他设备能产生与核聚变相同的中子通量和光谱。”他补充说:“你必须建造一个核聚变发电站，但在你证明你有合适的材料之前，你不想这么做，所以这是一个先有鸡还是先有蛋的问题。”

国际聚变材料辐照设施(IFMIF)正在建造一个材料测试设施。两束加速且强度极高的氘核将击中一个液态锂靶，从而使氘解离，希望能产生类似于核聚变的中子通量和谱。

IFMIF的材料运行测试计划要到2017年左右才开始。卢埃林·史密斯说:“我们需要说服全世界加快建造这种材料测试设施。”他希望在他有生之年，可行的核聚变能成为现实。他说，我们还需要说服世界核聚变界把更多精力放在实际建造一座核电站上。

商业核聚变电站还有很长的路要走，尽管Jet是一个重要的垫脚石，但它很快就会达到目的。“我们不会继续使用Jet，它已经过时了。“Iter将是一个更好的设施，”卢埃林·史密斯承认，“但我们可以给Iter一个快速的开始。”

如果世界各国政府愿意在20世纪80年代迅速推进核聚变，那么15年前就可以实现这样的飞跃。

如果英国政府在竞标过程中表现出更多的兴趣，Iter本可以在英国建造，”他说。“英国政府对核聚变持相当消极的态度，”他说，“在决定在哪里建造核聚变设施上浪费了很多时间。但卢埃林·史密斯对当前政府在核聚变问题上的立场感到鼓舞，这在最近的能源评估中得到了好评。他现在希望看到对所有可能解决能源危机的方案进行投资，包括可再生能源。

充满活力的未来

在即将退休之际，卢埃林·史密斯希望更多地参与其他能源问题。但回归理论物理并非不可能。

Llewellyn Smith为欧洲核子研究中心的LHC感到自豪，他认为这个设施将使上世纪60年代和70年代的一些未解之谜得以解答。“也许当大型强子对撞机出现时，会有新的结果，”他说，“我可能会回去。”如果我有精力的话。”