美国能源部研究显示微量钨可显著提升核聚变点火所需压力

根据美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的一个新理论模型，微量的钨在核聚变等离子体中可能大约会使达到点火所需的压力翻倍。研究人员发现，钨的浓度仅为每万个粒子中一个时，便能显著提高等离子体在无需持续外部加热的情况下维持核聚变反应的条件。该研究更新了劳森准则，这是一个大约 70 年前的基准，用于判断核聚变等离子体是否足够热、足够密集，且持续时间足够长，以达到点火目标。

研究人员纳入了几个现实世界的效应，而原始理想化的准则并未涵盖。计算结果还暗示了一条潜在的更高效的点火路径。该模型建议首先加热等离子体，然后再提高其密度，这可能提供更为高效的途径。

新模型提供更高效点火路径

PPPL 物理学家路易斯·德尔加多-阿帕里西奥（Luis Delgado-Aparicio）表示：“许多公司希望直面挑战，花费巨大能量以达到目标。其实可以绕过峰顶，这样以更聪明的方式到达同一个位置，同时消耗的能量会少得多。”研究人员用一个称为 Cordey saddle 的区域描述了这条路径。该区域代表了一个边界的最低点，该边界将仍需外部加热的等离子体与能够自行燃烧的等离子体分开。

在理想的只包含聚变燃料的等离子体中，模型将此点设置在约 5 的聚变增益（Q）水平。这意味着该等离子体产生的聚变能量大约是外部加热能量的五倍。然而，杂质、辐射损失及其他现实世界的效应可能会改变这一点并增加所需的增益。

钨的潜在影响与挑战

该团队将四个因素纳入其模型：由聚变反应留下的氦灰、从反应堆壁进入的轻重杂质、同步辐射损失以及从等离子体中逃逸的热量。PPPL 物理学家小野正幸（Masayuki Ono）指出：“当你忽略这些效应时，你会认为设计运行良好；但一旦考虑到这些因素，整个情况会发生变化，而这些因素变得相当重要。”钨的发现对未来的核聚变反应堆可能尤为重要。超过十多个下一代核聚变设备已选择钨作为其内壁，因为该金属能够承受极高的温度。

但如果每 10,000 个粒子中有一个钨原子进入等离子体，团队的二维计算显示，达到点火所需的压力可能会大大约翻倍。

当将这些效应扩展到三维时，所需的压力可能会超过等离子体保持稳定的临界点。研究人员表示，例如用液态锂涂覆反应堆壁可以帮助防止钨进入等离子体，同时改善热量保持。自旋极化聚变燃料，即在聚变前使燃料核对齐，也可能提高聚变反应速率。有趣的是，导致点火更加困难的能量损失，可能有助于稳定燃烧的等离子体。模型显示，这些损失可以抵消热失控，后者是指随着聚变热量的增加，导致越来越快的聚变反应。

目前这些发现仍属于理论范畴，尚无现有实验能达到 Cordey saddle 附近的条件，从而实验性地测试所提出的优先加热路径。

研究人员计划进行数字实验，以进一步探讨该方法。PPPL 物理学家乔纳森·梅纳德（Jonathan Menard）表示：“尽管还需要进一步研究，我们对这些结果感到兴奋，这些结果为未来在该领域的研究提供了一条明确的前进道路。”该研究已发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

钨在核聚变研究中的重要性

钨的发现对核聚变技术的发展至关重要。由于其能够承受极高的温度，钨被选为下一代核聚变设备的内壁材料。研究表明，微量钨的加入不仅能显著提升等离子体的性能，还可能改变核聚变的点火策略，这对于提高能量效率及降低能量消耗具重要意义。虽然目前的研究仍在理论阶段，但未来的实验将有助于验证这些理论并推进核聚变技术的实用化。