- 微量鎢可使核聚變等離子體達到點火所需的壓力翻倍。
- 研究提出新的點火路徑，先加熱再提高密度。
- 鎢在未來核聚變反應堆中可能扮演重要角色。
- 目前的發現仍屬於理論，尚需進一步實驗驗證。
根據美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的一項新理論模型，微量的鎢在核聚變等離子體中可能大約會使達到點火所需的壓力翻倍。研究人員發現，鎢的濃度僅為每萬個粒子中一個時，便能顯著提高等離子體在無需持續外部加熱的情況下維持核聚變反應的條件。該研究更新了勞森準則，這是一個大約 70 年前的基準，用於判斷核聚變等離子體是否足夠熱、足夠密集，且持續時間足夠長，以達到點火目標。
研究人員納入了幾個現實世界的效應，而原始理想化的準則並未涵蓋。計算結果還暗示了一條潛在的更高效的點火路徑。該模型建議首先加熱等離子體，然後再提高其密度，這可能提供更為高效的途徑。
新模型提供更高效點火路徑
PPPL 物理學家路易斯·德爾加多-阿帕裏西奧（Luis Delgado-Aparicio）表示：「許多公司希望直面挑戰，花費巨大能量以達到目標。其實可以繞過峯頂，這樣以更聰明的方式到達同樣的位置，同時消耗的能量會少得多。」研究人員用一個稱為 Cordey saddle 的區域描述了這條路徑。該區域代表了一個邊界的最低點，該邊界將仍需外部加熱的等離子體與能夠自行燃燒的等離子體分開。
在理想的只包含聚變燃料的等離子體中，模型將此點設置在約 5 的聚變增益（Q）水平。這意味著該等離子體產生的聚變能量大約是外部加熱能量的五倍。然而，雜質、輻射損失及其他現實世界的效應可能會改變這一點並增加所需的增益。
鎢的潛在影響與挑戰
該團隊將四個因素納入其模型：由聚變反應留下的氦灰、從反應堆壁進入的輕重雜質、同步輻射損失以及從等離子體中逃逸的熱量。PPPL 物理學家小野正幸（Masayuki Ono）指出：「當你忽略這些效應時，你會認為設計運行良好；但一旦考慮到這些因素，整個情況會發生變化，而這些因素變得相當重要。」鎢的發現對未來的核聚變反應堆可能尤為重要。超過十多個下一代核聚變設備已選擇鎢作為其內壁，因為該金屬能夠承受極高的溫度。
但如果每 10,000 個粒子中有一個鎢原子進入等離子體，團隊的二維計算顯示，達到點火所需的壓力可能會大約翻倍。
當將這些效應擴展到三維時，所需的壓力可能會超過等離子體保持穩定的臨界點。研究人員表示，例如用液態鋰塗覆反應堆壁可以幫助防止鎢進入等離子體，同時改善熱量保持。自旋極化聚變燃料，即在聚變前使燃料核對齊，也可能提高聚變反應速率。有趣的是，導致點火更加困難的能量損失，可能有助於穩定燃燒的等離子體。模型顯示，這些損失可以抵消熱失控，後者是指隨著聚變熱量的增加，導致越來越快的聚變反應。
目前這些發現仍屬於理論範疇，尚無現有實驗能達到 Cordey saddle 附近的條件，從而實驗性地測試所提出的優先加熱路徑。
研究人員計劃進行數位實驗，以進一步探討該方法。PPPL 物理學家喬納森·梅納德（Jonathan Menard）表示：「儘管還需要進一步研究，我們對這些結果感到興奮，這些結果為未來在該領域的研究提供了一條明確的前進道路。」該研究已發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
鎢在核聚變研究中的重要性
鎢的發現對核聚變技術的發展至關重要。由於其能夠承受極高的溫度，鎢被選為下一代核聚變設備的內壁材料。研究表明，微量鎢的加入不僅能顯著提升等離子體的性能，還可能改變核聚變的點火策略，這對於提高能量效率及降低能量消耗具重要意義。雖然目前的研究仍在理論階段，但未來的實驗將有助於驗證這些理論並推進核聚變技術的實用化。