科学家可能刚刚解决了可控核聚变的最大问题

艺术家对核聚变过程中自旋排列原子的解读。 资料来源：Kyle Palmer / PPPL 通讯部

增强聚变燃料，提供实用能源

这种方法建立在氘和氚这种最有前途的核聚变能源燃料的既定使用基础上，但通过一种称为自旋极化的技术增强了它们的量子特性。 这种方法包括调整大约一半燃料原子的量子自旋，以提高性能。 此外，燃料组合中氘的比例将从通常的60%或更高，进一步优化效率。

美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员开发的模型显示，这些调整可以使氚的燃烧效率显著提高，同时保持核聚变的功率输出。 其结果是大幅减少了启动和维持聚变反应所需的氚量，为更小、更具成本效益的聚变系统铺平了道路。

实验室研究物理学家、该研究论文的第一作者杰森-帕里西说："核聚变真的非常非常难，大自然不会给你太多恩惠。因此，改进的幅度之大令人惊讶。"

这篇发表在《核聚变》杂志上的论文表明，这种方法燃烧氚的效率可以提高 10 倍之多。 这项研究还凸显了PPPL在核聚变创新领域的前沿地位，尤其是当它涉及到像帕里西的研究中所研究的系统时，在该系统中，气体被过热以产生一个 等离子体，该等离子体被磁场限制成一个类似于有芯苹果的形状。

"这是研究人员首次研究自旋极化燃料如何提高氚的燃烧效率。"贾森-帕里西在 PPPL 研究大满贯比赛中解释自己的研究。

最大限度地提高氚的燃烧效率

PPPL 首席研究物理学家兼论文共同作者艾哈迈德-迪亚洛（Ahmed Diallo）将氚的燃烧效率比作煤气炉的效率。迪亚洛说："当煤气从炉子里出来时，你希望燃烧所有的煤气。在核聚变装置中，氚通常不会完全燃烧，而且很难得到。 因此，我们希望提高氚的燃烧效率。"

作为寻找提高氚燃烧效率方法工作的一部分，PPPL 团队咨询了核聚变界和更广泛的自旋极化相关界别。"聚变是科学和工程学中最具多学科性的领域之一。 它需要在许多方面取得进展，但有时当你把不同学科的研究结合在一起时，会产生令人惊讶的结果，"帕里西说。

量子自旋在核聚变中的作用

量子自旋与棒球的物理自旋截然不同。 例如，一个优秀的投手可以用几种不同的自旋中的一种来投球。 这是一个可能性的连续体。 然而，粒子的量子自旋只有几种离散的选择--例如，向上和向下。

当两个核聚变燃料原子具有相同的量子自旋时，它们就更有可能发生融合。通过放大聚变截面，相同数量的燃料可以产生更多能量。

虽然现有的自旋极化方法并不能使每个原子对齐，但PPPL模型中显示的收益并不需要100%的自旋对齐。 事实上，这项研究表明，适度的自旋极化可以大幅提高氚燃烧的效率，从而提高整体效率并减少氚的消耗。

自旋极化燃料的潜力与挑战

由于需要的氚更少，聚变发电厂的总体规模可以缩小，从而更容易获得许可、选址和建造。 总而言之，这将降低聚变系统的运行成本。

氚也具有放射性，虽然与核裂变反应堆的乏燃料相比，氚的辐射寿命相对较短，但减少氚的用量也有安全方面的好处，因为这样可以降低氚泄漏或污染的风险。

帕里西说："流经系统的氚越少，进入部件的氚就越少。 氚所需的储存和处理设施也可以变得更小、更高效。 这使得核许可等工作变得更加容易。人们认为，厂址边界的大小在某种程度上与氚的含量成正比。 因此，如果氚含量少很多，工厂就可以更小，更快获得监管机构的批准，而且成本更低。"

探索新途径

能源部科学办公室已经资助了有关将自旋极化燃料注入聚变容器所需的一些技术的单独研究。 还需要开展进一步的工作，研究实现拟议系统所需但尚未充分探索的问题。是否有可能采用综合方案，利用等离子体中多余燃料和灰烬的这些特定流动来维持高等级核聚变等离子体，这还需要确定。

在极化方法方面也存在潜在问题，但这也创造了机会。"一个挑战是展示大量生产自旋极化燃料并将其储存起来的技术。 这将开辟一个全新的技术领域"。

编译自/ScitechDaily