科学家可能找到了通往聚变能的捷径

科学家发现了一条可能效率高得多的通往聚变点火的路径，这可能让实用聚变能的梦想更接近现实。

美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家发现了一种可能高效得多的实现聚变点火的方法，这是追求实用聚变能过程中的一个重大里程碑。他们的计算表明，改变等离子体被加热和压缩的顺序，可能大幅降低达到自持聚变反应所需的能量。

七十多年来，聚变研究人员一直依赖一条数学规则来判断等离子体能否在足够长时间内保持足够高的温度和密度，从而在没有额外外部加热的情况下维持聚变。这条被称为劳森判据的方程定义了点火所需条件。然而，它并未解释实现这些条件的最有效方式。

现在，PPPL 物理学家 Luis Delgado-Aparicio、Masayuki Ono 和 Jonathan Menard 开发了该判据的一个更全面的版本。通过纳入另外四个影响聚变性能的因素，他们描绘出一条有前景的点火路径，其所需能量可能远低于其他方法。

他们的研究结果发表在《物理评论快报》上。

这项研究聚焦于等离子体，它常被称为物质第四态。当气体变得能量极高，其粒子带电荷时，就形成等离子体。在聚变反应堆中，这种极热材料包含原子核，研究人员希望这些原子核结合，通过核聚变释放能量。

最终目标是产生燃烧等离子体，其中聚变反应产生足够热量来维持过程，而无需持续外部加热。高效达到这一状态仍然是聚变能研究中最重要的挑战之一。

科学家找到通往聚变点火的捷径

Delgado-Aparicio 将这一发现比作在群山中找到一条更高效的路线。

想象一下，聚变点火的能量要求构成了一片以高耸山峰为主的地形。目的地就在另一侧，但有几条可能路线可以到达。

许多提出的聚变策略实际上是在试图直接翻越这座山。它们先提高等离子体密度，然后提供达到点火所需的巨大热量。

新计算表明，另一种顺序可能效率高得多。研究人员可以先加热等离子体，再使其变得更密，而不是先提高密度。这条替代路线避开了最高的能量要求，同时仍能达到所需条件。

Delgado-Aparicio 说：“很多公司想正面翻山，为此耗费巨大能量。绕开山峰吧。你以聪明得多的方式到达同一地点，而且使用的能量少得多。”

聚变物理中隐藏的山口

研究人员在这片数学地形中识别出一个特别重要的区域，称为科迪鞍点（Cordey saddle）。

在地理上，鞍部是较高地势之间的低矮通道。在聚变物理中，科迪鞍点代表边界上一个相对容易到达的点，该边界分隔着仍需要外部加热的等离子体与能够维持自身聚变反应的等离子体。

为了评估不同路线，科学家使用一种称为 Q 的度量，它比较聚变反应产生的功率与供给等离子体的外部加热功率。

例如，Q 值为 5 意味着聚变反应产生的功率是外部加热系统输入功率的五倍。

在仅含纯聚变燃料的理想化等离子体中，科迪鞍点大约出现在 Q=5 处。然而，实际聚变系统复杂得多。等离子体中的污染物和极强磁场会移动这个通道的位置，提高到达它所需的 Q 值。

理解这些条件如何变化，对于确定一个拟议聚变反应堆能否现实地实现点火至关重要。

未来聚变反应堆更现实的路线图

这些发现可能影响两大类磁约束聚变装置的设计：托卡马克和仿星器。

两种方法都使用强大磁场来约束等离子体，同时将其加热到聚变所需的极端温度。具有特征性甜甜圈形状的托卡马克，是未来聚变发电厂正在研究的主要技术之一。

研究机构和私营公司正在探索多种从聚变发电并最终将电力输送到电网的方法。找到高效点火路径可以帮助工程师设计更实用的系统，同时避免代价高昂的错误。

对 PPPL 而言，这项工作是更广泛努力的一部分，旨在解决商业聚变发电成为可能之前必须克服的科学和技术挑战，包括开发未来聚变试点电厂。

该研究的主要进展之一是，它将若干重要物理过程放在一起评估，而不是像许多先前研究那样分别考察。

研究人员纳入了四个可能影响等离子体能否达到并维持点火的额外因素：

1. 氦灰积累：聚变反应会产生氦作为副产物。随着这种“废燃料”积累，它会稀释剩余的聚变燃料并降低性能。
2. 等离子体污染：轻、重杂质可能从反应堆内衬材料进入等离子体，干扰聚变条件。
3. 同步辐射：电子在磁场中运动时会发出辐射，将能量带离等离子体。
4. 热量损失：能量会持续从等离子体逸出，而且随着其温度升高，这些损失可能变得更大。

将这些效应考虑在内，可以更现实地描绘未来反应堆必须达到的条件。

Ono 说：“当你把这些效应排除在外时，你会说设计没问题。当你把它们放进去，情况就变了，而且变得相当重要。”

据 Ono 说，目标是建立一个更可靠、适用范围更广的模型，让科学家在开始建造之前就能用它评估聚变反应堆设计。

把劳森判据当作单一不变的门槛，会忽略那些可能大幅改变点火要求的物理过程。在设计过程早期就纳入这些效应，可以防止日后出现昂贵问题。

他说：“聚变实验耗资巨大，你不想犯下本可以事先发现的错误。”

微量钨可能使聚变难得多

一个尤其引人注目的发现涉及钨，这是一种极耐热的金属，被选用于十几台下一代聚变机器的内壁。

钨之所以有吸引力，是因为聚变反应堆必须承受等离子体温度高于太阳中心的环境。然而，如果哪怕极少量这种材料进入等离子体，也会带来重大挑战。

该团队的计算显示，钨污染浓度仅为万分之一时，达到聚变点火所需的压力大约会翻倍。

这是由极少量材料造成的显著增加。

这些计算最初是在二维中开发的。当研究人员将分析扩展到三维时，他们发现点火所需的压力可能超过等离子体保持稳定所需的极限。

这表明看似轻微的污染可能对某些聚变反应堆设计的可行性产生重大影响。

能量损失如何帮助稳定聚变

令人惊讶的是，一些使点火更困难的过程，也可能帮助聚变反应堆更安全、更稳定地运行。

科学家长期以来一直在研究热“失控”不稳定性的可能性。当聚变反应产生的热量提高反应速率，产生更多热量，并可能形成自我强化的循环时，就会发生这种情况。

研究人员发现，等离子体内部的能量损失可以自然抵消这种效应。

尽管这些损失增加了达到点火的难度，但它们也提供了一种平衡影响，可能使燃烧等离子体无需不断调整就能保持稳定运行状态。

这种平衡对未来反应堆设计可能很有价值。

（与裂变电厂不同，聚变系统一次只容纳几秒钟的燃料，因此失去控制意味着等离子体冷却、燃烧停止，而不会发生更糟的事情。）

液态锂和先进燃料可提高聚变效率

该研究还指出了一些可能有助于克服计算所揭示障碍的技术。

一种可能性涉及在聚变反应堆内部涂覆液态锂，PPPL 研究人员已研究这项技术多年。

这些涂层可以帮助防止钨进入等离子体，同时减少热量损失，从而更容易维持聚变所需的极端条件。

另一种有前景的方法使用自旋极化燃料。这涉及在聚变发生前制备原子核，使其自旋方向一致，从而提高聚变反应速率。

这些策略结合起来，可以改善未来反应堆的性能，并使点火路径更可实现。

新聚变策略的下一步是什么？

尽管研究结果很有前景，但所提出的“先加热”方法尚未经过实验验证。

这项研究是理论性的，依赖数学计算而非直接测量。现有聚变实验尚未达到与科迪鞍点相关的温度，使科学家无法在这些条件下测试预测路径。

PPPL 团队计划通过数字实验进一步研究该方法，使用基于计算机的模拟来探索在提高密度之前加热等离子体是否能带来预期优势。

如果未来研究证实这些计算，这些发现可能为设计更高效的聚变系统提供重要基础，并帮助研究人员就反应堆建造做出更好的决策。

Menard 说：“虽然还需要更多研究，但这些结果令我们兴奋，它们为这一领域的未来研究指明了一条清晰的前进道路。”

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