發表在《核融合》（Nuclear Fusion）雜誌上的一項新研究表明，改進聚變燃料可以解決使聚變成為一種更實用的能源所面臨的關鍵挑戰。研究人員開發出一種透過優化燃料混合物和利用自旋極化來提高聚變能效的方法。這種方法可以顯著減少氚的用量，從而實現更小、更易於管理的聚變反應堆，降低運行成本並增強安全性能。

藝術家對核融合過程中自旋排列原子的解讀。 資料來源：Kyle Palmer / PPPL 通訊部

增強聚變燃料，提供實用能源

這種方法建立在氘和氚這種最有前途的核融合能源燃料的既定使用基礎上，但透過一種稱為自旋極化的技術增強了它們的量子特性。 這種方法包括調整大約一半燃料原子的量子自旋，以提高性能。 此外，燃料組合中氘的比例將從通常的60%或更高，進一步優化效率。

美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的研究人員開發的模型顯示，這些調整可以使氚的燃燒效率顯著提高，同時保持核融合的功率輸出。 其結果是大幅減少了啟動和維持聚變反應所需的氚量，為更小、更具成本效益的聚變系統鋪平了道路。

實驗室研究物理學家、該研究論文的第一作者傑森-帕里西說：「核融合真的非常非常難，大自然不會給你太多恩惠。因此，改進的幅度之大令人驚訝。

這篇發表在《核融合》雜誌上的論文表明，這種方法燃燒氚的效率可以提高10 倍之多。 這項研究也凸顯了PPPL在核融合創新領域的前沿地位，尤其是當它涉及像帕里西的研究中所研究的系統時，在該系統中，氣體被過熱以產生一個等離子體，該等離子體被磁場限製成一個類似有芯蘋果的形狀。

“這是研究人員首次研究自旋極化燃料如何提高氚的燃燒效率。”賈森-帕里西在PPPL 研究大滿貫比賽中解釋自己的研究。

最大限度地提高氚的燃燒效率

PPPL 首席研究物理學家兼論文共同作者艾哈邁德-迪亞洛（Ahmed Diallo）將氚的燃燒效率比作煤氣爐的效率。迪亞洛說：”當煤氣從爐子裡出來時，你希望燃燒所有的煤氣。在核融合裝置中，氚通常不會完全燃燒，而且很難得到。 因此，我們希望提高氚的燃燒效率。”

作為尋找提高氚燃燒效率方法工作的一部分，PPPL 團隊諮詢了核融合界和更廣泛的自旋極化相關界別。 “聚變是科學和工程學中最具多學科性的領域之一。它需要在許多方面取得進展，但有時當你把不同學科的研究結合在一起時，會產生令人驚訝的結果，”帕里西說。

量子自旋在核融合中的作用

量子自旋與棒球的物理自旋截然不同。 例如，一個優秀的投手可以用幾種不同的自旋中的一種來投球。 這是一個可能性的連續體。 然而，粒子的量子自旋只有幾種離散的選擇–例如，向上和向下。

當兩個核融合燃料原子具有相同的量子自旋時，它們就更有可能發生融合。透過放大聚變截面，相同數量的燃料可以產生更多能量。

雖然現有的自旋極化方法並不能讓每個原子對齊，但PPPL模型中顯示的收益並不需要100%的自旋對齊。 事實上，這項研究表明，適度的自旋極化可以大幅提高氚燃燒的效率，從而提高整體效率並減少氚的消耗。

自旋極化燃料的潛力與挑戰

由於所需的氚更少，聚變發電廠的整體規模可以縮小，從而更容易獲得許可、選址和建造。 總而言之，這將降低聚變系統的運作成本。

氚也具有放射性，雖然與核分裂反應器的乏燃料相比，氚的輻射壽命相對較短，但減少氚的用量也有安全方面的好處，因為這樣可以降低氚洩漏或污染的風險。

帕里西說：”流經系統的氚越少，進入部件的氚就越少。氚所需的儲存和處理設施也可以變得更小、更有效率。這使得核許可等工作變得更加容易。 人們認為，廠址邊界的大小在某種程度上與氚的含量成正比。

探索新途徑

能源部科學辦公室已經資助了有關將自旋極化燃料注入聚變容器所需的一些技術的單獨研究。 還需要進一步的工作，研究實現建議系統所需但尚未充分探索的問題。是否有可能採用綜合方案，利用等離子體中多餘燃料和灰燼的這些特定流動來維持高等級核融合等離子體，這還需要確定。

在極化方法方面也存在潛在問題，但這也創造了機會。 “一個挑戰是展示大量生產自旋極化燃料並將其儲存起來的技術。 這將開闢一個全新的技術領域”。

編譯自/ ScitechDaily