日美联合实现氢硼核聚变新突破

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日本国立聚变科学研究所和美国TAE技术公司携手，首次在磁约束聚变等离子体中实现了氢—硼聚变实验。相关研究结果发表于《自然—通讯》。

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TAE公司的诺曼反应堆。图片来源：TAE公司

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在日本大型螺旋装置的扭曲“肠道”内，每秒钟都会发生数万亿次氢—硼聚变反应。图片来源：日本国立聚变科学研究所/SCIENCE SOURCE

尽管这些聚变反应远未达到净能量，而且需要比标准核聚变燃料更高的温度，但氢—硼燃料储量丰富，且不会产生破坏性颗粒。TAE首席执行官Michl Binderbauer在一份声明中指出，研究结果表明，这种由质子和硼元素混合而成的替代燃料在公用事业规模的核聚变发电中占有一席之地。

然而，麻省理工学院等离子体科学与聚变中心主任Dennis Whyte认为，这是一个有趣的实验，但对说服怀疑论者更换燃料几乎没有帮助。

核聚变经常被宣传为一种无碳能源，它有一种丰富而廉价的燃料——氢同位素氘和氚(D-T)的混合物。实际上，氚很稀有，必须在反应堆中由锂“培育”出来，一些科学家担心未来会短缺。此外，当D-T燃料在高温下聚变时，会产生大量高能中子，这对人类和反应堆结构都是有害的。

TAE采用了一种不同的方法：将氢核质子与容易开采的硼聚变。这个反应不产生中子，只产生无害的氦，但它需要大约30亿摄氏度的温度，即太阳核心热量的200倍，比聚变D-T所需的温度高30倍。研究人员已经证明，他们可以通过使用瞄准固体目标的粒子束或用激光爆炸等离子体来融合质子和硼。

日本国立聚变科学研究所使用的是一个被称为大型螺旋装置(LHD)的传统核聚变反应堆。LHD于1998年开始运行，外形像一个扭曲的甜甜圈，其电磁铁中含有超热电离燃料，即等离子体。实验中，硼等离子体被加热到2000万摄氏度左右，中性氢原子束被发射到等离子体中。氢—硼聚变会产生高速氦原子，TAE开发的氦传感器在机器中使用硼等离子体时，比含有非反应性气体时多记录了150倍的碰撞次数，这表明核聚变正在发生。

该团队的计算机模拟表明，这相当于每秒大约5万亿次核聚变反应。Whyte说，这些反应大多是由粒子束引起的。在许多聚变反应堆中，粒子束被用来使整个等离子体温度高到足以更广泛地聚变。但LHD的结果表明，聚变只发生在束流击中等离子体的少数热点处，而不是其他地方，因为一旦束流关闭，聚变速率就会迅速下降。

一个能发电的聚变反应堆需要更大范围的聚变燃烧来提供足够的热量，从而维持反应，另外还要收集一些额外的热量来发电。LHD距离这一目标还有很长的路要走，但TAE相信它可以用一种非常不同的等离子体设备实现这一目标。TAE的各种试验台已经创建了一个快速旋转的等离子体“烟雾环”，该“烟雾环”通过粒子束稳定和加热。迄今为止，TAE最大的机器“诺曼”在30毫秒内实现了6000万摄氏度的高温。

TAE介绍，在几年内，它将建造一个名为“哥白尼”的后继者，其目标是达到1亿摄氏度，这是常规D-T聚变所需的温度。下一个十年，TAE希望制造出一种更强大的机器“达芬奇”，使其接近氢—硼的温度。

Whyte认为，中子是传统核聚变的一个巨大挑战，但他认为让等离子体达到数十亿的温度可能同样困难。即使TAE做到了，但每次氢—硼反应产生的能量也只有氘和氚的一半。“要使它有价值，氢—硼聚变将需要强大的工程优势。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36655-1