可控的、低能量的电化学方法能够提升核聚变效率

·目前的“雷鸟反应堆”能量转化效率还很低，每输入15瓦的电能，产生的聚变能量输出仅有约十亿分之一瓦（1x10⁻⁹ W）。

自人类认识到太阳的能量源于核聚变以来，在地球上复现这一终极能源过程便成了几代科学家的梦想。若能成功，我们将拥有近乎无限的清洁能源。然而，让两个原子核克服巨大的静电斥力相互靠近并融合，需要极端的高温高压条件，其消耗的能量往往大于产生的能量。

克服这个问题的路径之一是提高燃料密度，从而增加聚变过程中粒子碰撞融合的概率。8月20日，《自然》（Nature）杂志发表了来自加拿大英属哥伦比亚大学柯蒂斯·贝林格特（Curtis Berlinguette）团队的最新研究成果。他们设计出一种粒子反应装置“雷鸟反应堆”（Thunderbird Reactor），利用电化学方法增加了燃料密度，显著提高了氘的核聚变速率。这一发现虽然尚未解决能量增益问题，但其展示的原理性突破，可能为低能核反应研究乃至未来的聚变技术铺平道路。

不列颠哥伦比亚大学（UBC）的雷鸟反应堆。图片来自作者

核聚变，顾名思义，是两个较轻的原子核结合成一个较重原子核的过程，其间会释放出巨大的能量。科学家们主要研究氘（dāo）和氚（chuān）的聚变反应，因为它们在相对“温和”的条件下就能发生——需要上亿摄氏度的高温，将物质变成等离子体状态。同时，还需要强大的磁场或激光将其约束在有限空间内，并维持足够高的密度，确保有足够多的碰撞。

该研究没有沿用建造更强磁场或更高温度的传统思路，而是选择在固体材料内部创造极高的局部燃料密度。在“雷鸟反应堆”中，一束氘离子流首先像发射子弹一样持续轰击一块金属钯制成的靶材。当氘离子击中钯靶时，一部分会与靶材中已被吸附的氘原子发生聚变，大量氘离子会“钻”进钯的晶格结构中并被“卡”住。

随着时间推移，钯靶内部的氘浓度越来越高，形成一个高密度的“燃料库”。这使得后续射入的氘离子有更大几率撞上先前植入的氘，从而让聚变反应的速率不断攀升，直至达到一个饱和的稳定状态。

随后，研究人员将钯靶作为电化学电池的一个电极。当启动这个电池时，电化学反应会驱动溶液中更多的氘原子被“泵”入钯靶内部，进一步将更多“燃料”硬塞进本已拥挤的钯晶格中，使得局部的氘密度超越了仅靠离子束所能达到的极限。实验结果显示，当电化学装置启动后，氘的聚变速率在原有基础上平均增加了15%。

这项工作表明可控的、低能量的电化学方法能够提升核聚变效率，但距离商业聚变发电还有极远的距离。研究团队指出，目前的“雷鸟反应堆”能量转化效率还很低，每输入15瓦的电能，产生的聚变能量输出仅有约十亿分之一瓦（1x10⁻⁹ W）。

“尽管如此，使用电化学方法来增加核聚变速率是一个重大成就。”在同期发表《自然》的评论文章中，艾米·麦基翁-格林（Amy McKeown-Green）和珍妮弗·迪翁（Jennifer Dionne）表示，这项工作“凭借涵盖了核物理、化学和材料科学的技术进展，作者正为利用可获取的台式核反应堆驱动低能核聚变的更广泛研究铺平道路。”

参考文献:

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07527-3