- 科學家發現材料可顯著提高低能量核融合反應率。
- 宿主材料的結構影響聚變的發生頻率。
- 研究開創了材料驅動聚變的新領域。
- 未來可能開發更高效的中子發生器，有多種應用。
加州大學戴維斯分校和勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家發現，周圍材料可以顯著增加低能量下核聚變的頻率。這項研究開創了一個全新的研究領域，稱為材料驅動聚變。「研究人員不再僅僅設計材料以承受聚變的惡劣條件，而是可以設計能在特定條件下促進反應的材料，類似於催化劑加速化學過程的方式，」該團隊在新聞稿中表示。
為了測試宿主材料對聚變的影響，團隊將氘——一種重氫——裝入由鈦和鉑製成的薄金屬箔中。他們使用了兩種不同的技術將氘加載到金屬中。接著，他們將氘離子束直接射向加載的箔材，並在不同的能量水平下測量聚變的頻率，與沒有周圍金屬的開放空間中的反應進行比較。標準物理理論預測，當碰撞能量低於 2.5 千電子伏特（keV）時，聚變率會急劇下降。然而，團隊的測量顯示出意外的結果：在這些較低的能量下，聚變率反而保持在一個平台上。
宿主材料的影響
在某些金屬樣品中，聚變的發生頻率比沒有宿主材料的反應高出約一千億倍——即 1 後面跟著 18 個零。這一反應率的大幅上升與宿主金屬的亞原子結構有關。金屬內的電子以及箔材結構中的微小缺陷，像是一道保護膜圍繞著帶正電的氘核。「材料內的電子和缺陷可能部分屏蔽氘核之間的排斥靜電力，讓它們更容易靠近並融合，」研究人員解釋道。
通過調整材料的內部結構、電子行為和整體組合，研究人員能夠影響這些核反應發生的難易程度。除了產生能量外，控制低能量聚變還會產生稱為中子的亞原子粒子。「如果我們能更好地理解這一效應，將為工程新材料開啟大門，這些材料會在特定條件下影響聚變率，」伯克利實驗室加速器技術與應用物理（ATAP）部門的聚變科學與離子束技術小組負責人阿倫·佩爾索德（Arun Persaud）總結道。
他補充道：「未來的進展可能使得更緊湊和高效的中子發生器成為可能，這將有各種應用，例如貨物檢查、行星科學以及醫療治療和成像。」
新連結與人工智能應用
該團隊的工作建立了一種可靠且可重複的方法來測試固體金屬如何影響核互動，創造了一個聚變科學、材料科學和化學之間的新連結。這項發現與艾姆斯國家實驗室的工作相連，該實驗室正致力於更好地理解材料如何處理核操作。那裡的科學家目前正在擴展一種名為 DuctGPT 的人工智能工具，以改善對材料在活躍聚變能源系統內行為的預測。
運行聚變系統會使周邊部件面臨惡劣的操作條件，包括強烈的熱、輻射和機械壓力。通過向 DuctGPT 添加新數據和模型，研究人員可以更好地預測不同材料在這些極端力量下隨時間的變化表現。
材料驅動聚變的潛在影響
這項研究揭示了材料的結構如何影響核融合反應，開創了材料驅動聚變的全新領域。通過設計特定的宿主材料，科學家可以提高聚變效率，這對於未來的能源開發至關重要。此外，這項發現可能促進中子發生器的發展，進一步拓展其在醫療和科學研究中的應用。這不僅能提高核融合技術的可行性，還可能推動相關科學領域的進步。