氢-硼燃料核聚变，无中子核聚变研究领域的圣杯

作者| 吴栋 上海交通大学

以氘氚为燃料的可控聚变研究近期取得了重大进展[1-7]。美国劳伦斯-利弗莫尔实验室的国家点火装置（即NIF装置）的激光核聚变实验相继实现了燃烧等离子体、点火以及净能量增益（输出聚变能量大于输入激光能量）；欧洲联合核聚变实验装置（即JET装置）的氘氚核聚变实验也产生了59兆焦耳的聚变能量输出。尽管如此，在聚变能源最终成为全球能源问题的重要解决方案之前，仍然有数十年的窗口期。

氘氚聚变会释放大量高能中子，将不可避免地带来装置损伤和材料活化等问题，已成为制约电站级反应堆运行维护的重要因素。此外，还有聚变燃料的供应问题，特别是氘氚核聚变反应中的氚。作为一种国家严格管控战略物资，当下氚的存量很少。虽然可利用反应堆中的聚变中子与锂的核反应过程来循环供氚，但距离这一技术的成熟应用仍有很长的路要走。因此，长期以来国际上一直活跃着一个研究群体，他们致力于研究新的核聚变反应，氢-硼燃料核聚变就是其中的重要候选[8-10]。

表1 常见的聚变反应

图1 质子在硼靶内部发生聚变反应的示意图

氢-硼核聚变的优点

氢-硼核反应过程极少涉及放射性。当然，反应过程也存在一些次级反应会产生中子，也可能会发生诱导放射性，但其反应率很低，这对于反应堆来讲完全可以接受[7]。硼在自然界储量很大，且私营企业和高校等研究机构均可开放获取。由于以上原因，氢-硼燃料核反应被认为是聚变能源领域的圣杯。此外，宇宙中硼的丰度仍是一个未解决的问题，对这些反应的研究也将有助于解决年轻的主序F和G星中轻元素Li、Be和B的低丰度之谜[11-16]。最后，氢硼核反应还提供了一种治疗癌症的新方法[17]。

氢-硼核聚变面临的主要挑战

基于氢-硼燃料的核聚变发电站需满足的物理条件要比氘-氚聚变的要苛刻得多。 一方面，与氘氚反应相比，氢-硼反应想要达到其最大的核反应截面需要更高的质心动能； 另一方面，由于氢-硼反应的轫致辐射造成的辐射损失比氘-氚反应高得多（轫致辐射能量损失与核电荷数的平方成正比），在平衡态下，氢-硼核聚变的轫致辐射损失一般会高于核反应释放的能量，最终导致几乎没有净能量输出[18]。 即使利用最新的氢-硼聚变反应截面数据（Sikora在2016年发表了新的截面数据[19]，相比Nevins的反应截面有较大幅度提升[20]），氢-硼热核反应也只在很狭窄的能量区间才会有净能量输出[21]。

图2 氢-硼核反应截面（左），氢-硼聚变功率与韧致辐射功率在不同截面数据下与离子温度的关系（右）

利用非热平衡状态

实现氢-硼聚变净能量增益

既然在热平衡态下实现氢-硼聚变的条件过于苛刻，那么我们就应该考虑如何在非热平衡状态下实现氢-硼聚变净能量增益。 一般而言，有两种方法去达到想要的结果，一种方法是减少电子韧致辐射的损失，这可以通过维持一个特定的电子分布来实现[22]；另一种方法是提高聚变输出功率，这可以通过维持特定的离子速度分布状态来实现[22-27]。其中维持特定的离子分布的方法可以分为时间稳态维持和非稳态维持，前者是长时间维持离子的分布函数，如在任意位形中长时间维持某一种分布的离子[22]； 后者是在约为激光脉冲持续时间内维持离子分布函数， 如利用强激光打靶产生beam-like的质子分布（质子束）[23-27]，并轰击具有麦氏分布的硼等离子体靶，以产生氢-硼聚变反应。

非热平衡聚变反应的“紧箍咒”

Todd H. Rider从时间稳态维持的非热平衡态出发，研究了实现无中子聚变反应的可能性[22]。 在Rider所考虑的情况下，涉及到的离子分布均为麦克斯韦分布，电子的分布为非麦氏分布。 经过分析，Rider得出维持电子的非麦氏分布需要对系统做一个额外的功，他将对应的功率定义为再循环功率。 他从福克-普朗克方程出发，推导了核反应释放功率、辐射损失功率以及维持的电子非麦氏分布所需的再循环功率，对稳定维持非热平衡态下无中子聚变的可实现性进行了分析。 结果表明，不管电子的分布函数是beam-like分布，还是低能电子被耗散的近麦氏分布（有利于降低离子-电子碰撞频率，从而降低韧致辐射损失、提高核反应释放功率），系统都不能稳定地维持下去。

如果Rider的解析分析都是正确可靠的，这就意味着通过长时间稳定地维持电子的非热平衡态来提高氢-硼聚变反应的能量增益是极其困难的。因此，如若希望通过利用类似托克马克的磁约束聚变装置来实现氢-硼聚变，如何对Rider的解析分析结果做出突破是非常值得研究的。

表2 低能电子被耗散的近麦氏分布下，不同反应燃料在理想运行状态下系统聚变功率，韧致辐射功率以及再循环功率的比较

氢-硼核聚变研究的新机遇

幸运的是，利用强激光产生的等离子体是非稳态的非热平衡的，这或许有利于提高聚变产额[23-27]。随着高强度激光技术的进步，依靠拍瓦级激光器在“靶内几何构型”或“束靶几何构型”中所产生的非稳态条件下进行氢-硼聚变反应的想法逐渐变得更具吸引力。在这种情况下强激光会加速出具有近乎beam-like分布的质子束，进而靠质子束去轰击具有麦氏分布的靶离子，以产生氢-硼核聚变。由于此时靶内的电子分布也为麦氏分布且电子具有较低的温度，因此在这种构型下韧致辐射较低。

基于这一想法，一些研究团队[10, 22-26]对氢-硼聚变反应进行了一系列的实验，并测量了α粒子的产额。α粒子产量已经从2005年的约 [23] 增加到2020年的约 [27]。 在激光驱动的氢-硼聚变方案中，澳大利亚公司“HB11”所设计的方案是比 较有趣的。 根据Heinrich Hora的团队发表在《激光和粒子束》上的研究结果[28]， 可以这样描述该公司的方案： 设计一个很大的中空金属球壳，在球壳中间放置氢-硼核燃料芯块，在两个激光 器对应的不同侧面开孔，如图3（左）所示。 第一个激光器（Laser1）用来产生瞬间的高强度磁场约束等离子体[29]，第二个激光器（Laser2）用来触发聚变链式反应（雪崩过程）[30]。聚变反应产生的阿尔法粒子将被收集起来产生电流，同时产生的电流几乎可以被直接引导到现有电网中，而无需额外的热交换器或蒸汽轮机发电机。

图3 HB11公司的氢-硼核聚变装置示意图

如图3（右）所示，激光器Laser2表示超强超短的皮秒激光。激光器2辐照在紫色圆柱所表示的氢-硼燃料靶上并将质子加速到极高的速度（约10000 km/s）以与靶内硼原子发生氢-硼聚变反应，而链式反应则会大大提高核反应的反应速率。所谓的链式反应是迈向最终目标（核反应释放的能量比投入的总能量多）的重要一步（作者注：由于氢-硼聚变只产生三个α粒子，每个α都有几率与氢核发生大角度散射并产生高能氢离子，高能氢离子再与硼核发生聚变再产生三个α粒子，该过程就是链式聚变反应。值得注意的是，α粒子还会与电子或者氢离子发生小角度散射，这种散射不会产生高能氢离子。在何种条件下可以高效率诱发链式聚变反应是一个值得研究的学术课题）。激光器Laser1则是为了在黄色环状导体上产生很大的电流[29]。强大的电流会使氢-硼核燃料的附近产生持续时间为纳秒量级的高达1万特斯拉的磁场，这将会使被加速过后的粒子以及氢-硼核反应产生的阿尔法粒子等被约束在磁场中，增加核反应的反应时间，进而发生更多次的核反应。

参考文献：

[1] V. Tikhonchuk, T. Gong, N. Jourdain, O. Renner, F. Condamine, K. Pan, W. Nazarov, L. Hudec,J. Limpouch, R. Liska, et al., Matter and Radiation at Extremes 6, 025902 (2021).

[2] S. Y. Gus’ kov, P. Kuchugov, and G. Vergunova, Matter and Radiation at Extremes 6, 020301 (2021).

[3] M. Liu, X. Ai, Y. Liu, Q. Chen, S. Zhang, Z. He, Y. Huang, and Q. Yin, Matter and Radiation at Extremes 6, 025901 (2021).

[4] A. B. Zylstra, A. L. Kritcher, O. A. Hurricane, D. A. Callahan, K. Baker, T. Braun, D. T. Casey, D. Clark, K. Clark, T. D¨oppner, L. Divol, D. E. Hinkel, M. Hohenberger, C. Kong, O. L. Landen, A. ikroo, A. Pak, P. Patel, J. E. Ralph, N. Rice, R. Tommasini, M. Schoff, M. Stadermann, D. Strozzi, C. Weber, C. Young, C. Wild, R. P. Town, and M. J. Edwards, Physical Review Letters 126 (2021), 10.1103/Phys-RevLett.126.025001.

[5] A. B. Zylstra, O. A. Hurricane, D. A. Callahan, A. L. Kritcher, J. E. Ralph, H. F. Robey, J. S. Ross, C. V. Young, K. L. Baker, D. T. Casey, T. D¨oppner, L. Divol, M. Hohenberger, S. L. Pape, A. Pak, P. K. Patel, R. Tommasini, S. J. Ali, P. A. Amendt, L. J. Atherton, B. Bachmann, D. Bailey, L. R. Benedetti, L. B. Hopkins, R. Betti, S. D. Bhandarkar, J. Biener, R. M. Bionta, N. W. Birge, E. J. Bond, D. K. Bradley, T. Braun, T. M. Briggs, M. W. Bruhn, P. M. Celliers, B. Chang, T. Chapman, H. Chen, C. Choate, A. R. Christopherson, D. S. Clark, et al., Nature 601, 542 (2022).

[6] A. B. Zylstra, A. L. Kritcher, O. A. Hurricane, D. A. Callahan, J. E. Ralph, D. T. Casey, A. Pak, O. L.

Landen, B. Bachmann, K. L. Baker, L. B. Hopkins, S. D. Bhandarkar, J. Biener, R. M. Bionta, N. W.

Birge, T. Braun, T. M. Briggs, P. M. Celliers, H. Chen, C. Choate, D. S. Clark, L. Divol, T. D¨oppner, D. Fittinghoff, M. J. Edwards, M. G. Johnson, N. Gharibyan, S. Haan, K. D. Hahn, E. Hartouni, D. E. Hinkel, D. D. Ho, M. Hohenberger, J. P. Holder, H. Huang, N. Izumi, J. Jeet, O. Jones, S. M. Kerr, S. F. Khan, H. G. Kleinrath, V. G. Kleinrath, C. Kong, K. M. Lamb, S. L. Pape, N. C. Lemos, J. D. Lindl, B. J. Macgowan, A. J. Mackinnon, A. G. Macphee, E. V. Marley, K. Meaney, M. Millot, A. S. Moore, K. Newman, J. M. D. Nicola, A. Nikroo, et al., Physical Review E 106 (2022), 10.1103/PhysRevE.106.025202.

[7] S. Weber, Y. Wu, and J. Wang, Matter and Radiation at Extremes 6, 023002 (2021).

[8] H. Hora, S. Eliezer, and N. Nissim, Laser and Particle Beams 2021 (2021).

[9] X. Ribeyre, R. Capdessus, J. Wheeler, E. d’Humi´eres, and G. Mourou, Scientific Reports 12, 1 (2022).

[10] D. Margarone, J. Bonvalet, L. Giuffrida, A. Morace, V. Kantarelou, M. Tosca, D. Raffestin, P. Nicolai, A. Picciotto, Y. Abe, et al., Applied sciences 12, 1444 (2022).

[11] D. Hoffmann, R. Schneider, S. Wissink, and S. Hanna, in BULLETIN OF THE AMERICAN PHYSICAL SOCIETY, Vol. 26 (AMER INST PHYSICS CIRCULATION FULFILLMENT DIV, 500 SUNNYSIDE BLVD, WOODBURY 1981) pp. 590–590.

[12] J. Calarco, J. Arruda-Neto, K. Griffioen, S. Hanna, D. Hoffmann, B. Neyer, R. Rand, K. Wienhard, and M. Yearian, Physics Letters B 146, 179 (1984).

[13] R. Allas, S. Hanna, L. Meyer-Sch¨utzmeister, and R. Segel, Nuclear physics 58, 122 (1964).

[14] R. Segel, S. Hanna, and R. Allas, Physical Review 139, B818 (1965).

[15] L. Lamia, C. Spitaleri, V. Burjan, N. Carlin, S. Cherubini, V. Crucill`a, M. G. Munhoz, M. G. Del Santo, M. Gulino, Z. Hons, et al., Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 39, 015106 (2011).

[16] D. H. Hoffmann, A. Richter, G. Schrieder, and K. Seegebarth, The Astrophysical Journal 271, 398 (1983).

[17] G. Cirrone, L. Manti, D. Margarone, G. Petringa, L. Giuffrida, A. Minopoli, A. Picciotto, G. Russo, F. Cammarata, P. Pisciotta, et al., Scientific reports 8, 1 (2018).

[18] D. Moreau, Nuclear Fusion 17, 13 (1977).

[19]Sikora M.H. and Weller H.R. 2016 J. Fusion Energy 35 538.

[20] W. Nevins and R. Swain, Nuclear fusion 40, 865 (2000).

[21] S. Putvinski, D. Ryutov, and P. Yushmanov, Nuclear Fusion 59, 076018 (2019).

[22]Todd H. Rider, Physics of Plasmas 4, 1039 (1997)

[23] C. Labaune, C. Baccou, S. Depierreux, C. Goyon, G. Loisel, V. Yahia, and J. Rafelski, Nature Communications 4, 1 (2013).

[24] V. S. Belyaev, A. P. Matafonov, V. I. Vinogradov, V. P. Krainov, V. S. Lisitsa, A. S. Roussetski, G. N. Ignatyev, and V. P. Andrianov, Phys. Rev. E 72, 026406 (2005).

[25] S. Kimura, A. Anzalone, and A. Bonasera, Physical Review E 79, 038401 (2009).

[26] C. Labaune, C. Baccou, V. Yahia, C. Neuville, and J. Rafelski, Scientific reports 6, 1 (2016).

[27] L. Giuffrida, F. Belloni, D. Margarone, G. Petringa, G. Milluzzo, V. Scuderi, A. Velyhan, M. Rosinski, A. Picciotto, M. Kucharik, J. Dostal, R. Dudzak, J. Krasa, V. Istokskaia, R. Catalano, S. Tudisco, C. Verona, K. Jungwirth, P. Bellutti, G. Korn, and G. A. P. Cirrone, Physical Review E 101, 013204 (2020).

[28] H. Hora, S. Eliezer, G.J. Kirchhoff, N. Nissim, J.X. Wang, P. Lalousis, Y.X. Xu, G.H. Miley, J.M. Martinez-Val, W. McKenzie and J. Kirchhoff. "Road map to clean energy using laser beam ignition of boron-hydrogen fusion." Laser and Particle Beams 35.4 (2017): 730-740.

[29] S. Fujioka, Z. Zhang, K. Ishihara, K. Shigemori, Y. Hironaka, T. Johzaki, A. Sunahara, N. Yamamoto, H. Nakashima, T. Watanabe, H. Shiraga, H. Nishimura and H. Azechi. "Kilotesla magnetic field due to a capacitor-coil target driven by high power laser." Scientific reports 3.1 (2013): 1-7.

[30] Eliezer S, Hora H, Korn G, Nissim N and Martinez-Val JM (2016a) Avalanche proton-boron fusion based on elastic nuclear collisions. Physics of Plasmas 23, 050704.

作者简介

吴栋，上海交通大学物理与天文学院长聘教轨副教授、博士生导师，阳阳青年学者。2015年，于北京大学获得等离子体物理博士学位，2015-2021年曾在中国科学院上海光机所和浙江大学工作，历任助理研究员、副研究员以及特聘副研究员。研究领域为惯性约束聚变以及高能量密度物理，尤其擅长宏观尺度稠密等离子体的动理学理论建模和数值模拟。开发完成了国际上首套宏观尺度量子简并等离子体动理学数值模拟程序LAPINS，在强激光强流带电粒子与稠密等离子体相互作用以及惯性约束聚变中的量子简并等离子体的动理学研究方面取得创新和突破，形成了研究特色。在国际主流学术刊物发表一作或通讯作者论文超过30篇，获得首届国防基础科研核科学挑战专题高能量密度物理领域“科学挑战英才”称号，提出的包含等离子体屏蔽效应的韧致辐射模拟方法被英国华威大学EPOCH程序采用，获得的高马赫数量子简并等离子体对撞研究成果被应用到“双锥对撞点火”基准靶设计中。

本文转载自《激光评论》微信公众号

《物理》50年精选文章