科学家发现了一条令人惊讶的核聚变捷径

普林斯顿等离子体物理实验室的科学家们发现了一条令人惊讶的核聚变捷径，可以大幅减少实现点火所需的能量。图片来源：Shutterstock

科学家们可能找到了一条令人惊讶的核聚变捷径，能够大幅减少点燃太阳能量所需的能量。

美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家们发现了一种潜在更高效的方式来实现核聚变，核聚变是为太阳供能的过程。他们的计算表明，改变等离子体加热和压缩的顺序，可以大幅降低点火所需的能量，而点火是追求实用聚变能的关键里程碑。

七十多年来，科学家们一直依赖一个称为劳森准则的方程来确定等离子体是否能保持足够高温和密度，足够长时间维持聚变反应，而无需额外的外部加热。该方程于20世纪50年代开发，确定了点火所需的条件，但并未解释实现这些条件的最高效方法。

现在，PPPL物理学家Luis Delgado-Aparicio、小野正幸和Jonathan Menard更新了这个已有数十年历史的框架。通过纳入四个影响聚变等离子体行为的额外因素，他们开发了一个更全面的模型，用于确定聚变系统应如何加热和维持燃料。

他们的研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。

要理解这一发现的重要性，了解等离子体是什么很重要。等离子体常被称为物质的第四态，是一种极其炽热的气体，其粒子带电。当等离子体点火时，聚变反应释放的能量产生足够的热量，维持过程而无需进一步的外部加热。高效实现这一条件是聚变能源研究者面临的核心挑战之一。

艺术家对托卡马克聚变系统的再现。图片来源：凯尔·帕尔默 / PPPL通讯

一个令人惊讶的聚变点火捷径

德尔加多-阿帕里西奥将团队的发现比作在山脉中寻找一条更简单的路线。想象点燃聚变所需的能量以景观表示，目的地位于一座高耸的山脉之外。

许多拟议的聚变策略相当于直接攀登那座山。它们首先增加等离子体的密度，然后提供点火所需的热量。然而，研究人员的计算表明一条要求较低的路径：先提高等离子体温度，然后提高其密度。

“很多公司都想直面这座山，投入巨大的精力去实现目标，”德尔加多-阿帕里西奥说。“绕过山峰吧。你能以更聪明的方式到达同一个地方，消耗的能量也少得多。”

数学解释涉及一个称为科尔迪鞍部的区域。就像山口一样，这里代表了分隔等离子体的最低点，这些障碍还需要外部加热才能维持自身聚变反应的等离子体。

为了评估可能的路径，研究人员使用了一种称为Q的测量方法，该测量方法比较聚变产生的功率与外部供暖功率。在理想的仅含聚变燃料等离子体中，当聚变产生约五倍的加热功率时，就发生了科尔迪鞍。

实际聚变机中的条件变得更加复杂。等离子体中的污染物和极强的磁场会改变该临界点的位置，增加达到该点所需的Q值。

PPPL物理学家Luis Delgado-Aparicio、小野正幸和Jonathan Menard。图片来源：Michael Livingston / PPPL Communications

未来聚变反应堆的新路线图

这些发现可能对托卡马克和恒星器等聚变机的设计产生重要影响。

研究人员和私营公司正在研究几种技术，最终可能通过核聚变为电网发电。托卡马克是主要方法之一。这些甜甜圈形状的装置利用强大的磁场约束等离子体，同时加热并达到聚变点火所需的密度。

识别更高效的点火路径将有助于工程师更好地决策这些机器的设计和操作方式。该工作还支持PPPL更广泛的努力，旨在解决阻碍商业聚变发电和未来聚变试点电站的科学和技术障碍。

新模型的一个主要优势是它同时考虑多个重要的物理过程。以往的研究常常单独研究这些效应，这使得理解它们在现实操作条件下的相互作用变得更加困难。

研究人员还纳入了四个可能改变维持聚变要求的额外因素：

1. 氦灰：聚变反应留下的氦气会在等离子体内积累，降低可用燃料的浓度。
2. 等离子体杂质：从反应堆内壁释放的轻元素和重元素都可能污染等离子体并干扰聚变。
3. 同步辐射：带电粒子，尤其是电子，运动时可以通过辐射释放能量，从而导致能量损失。
4. 等离子体散热：能量可以从受限等离子体中流出，随着温度升高，这些损失会变得更加显著。

综合考虑这些影响，可以更现实地描绘聚变反应堆必须克服的挑战。

“你去掉这些特效，说明设计会很好，”小野说。“当你把它们放进去时，画面就变了，这变得非常重要。”

小野称，目标是建立一个共同框架，供科学家在决定建造前评估拟议聚变系统。将劳森准则视为单一且不变的阈值，可能会忽略那些实质性改变点火条件的物理效应。

“聚变实验成本高昂，你不想犯之前可能发现的错误，”他说。

极少量的钨可能会让聚变变得更困难

分析还突显了涉及聚变反应堆材料的潜在严峻挑战。

十多台先进聚变装置正在设计中，内壁内衬钨。工程师们偏爱这种金属，因为它能耐受聚变等离子体所带来的异常高温，而聚变等离子体必须达到超过太阳中心温度的温度。

然而，如果钨即使少量进入等离子体，也可能引发问题。

研究人员发现，钨浓度仅为一万分之一，就能将点火所需的压力大约翻倍。这意味着从反应堆壁释放出极少量物质，可能显著增加维持聚变的难度。

这些计算基于二维分析。当模型扩展到三维空间时，所需压力可以升高到等离子体保持稳定的极限之外。

结果表明，反应堆设计中看似微小的细节，也可能对聚变性能产生重大影响。

聚变能量损失带来的意外好处

虽然能量损失使点火更难，但研究人员发现，这些相同的效应也可能帮助预防其他问题。

聚变科学家长期以来一直考虑热“失控”不稳定性的可能性。当聚变反应产生的热量加速进一步聚变，产生更多热量并可能形成自我强化循环时，就会发生这种情况。

新计算表明，负责从等离子体中抽取能量的过程也能限制这种反馈。这些效应协同作用，使燃烧中的等离子体能够在不持续外部加热的情况下保持稳定的工作状态。

（与裂变电厂不同，聚变系统每次只能储存几秒的燃料，因此失控意味着等离子体冷却，燃烧停止，而非更糟的情况。）

这一发现表明，一些传统上被视为点火障碍的物理过程，也可能有助于工作中的聚变反应堆稳定性。

液态锂和先进燃料有望提升聚变效率

研究指出了克服新模型揭示的一些问题的潜在方法。

一个有前景的方案是用液态锂涂层聚变系统内壁，这是PPPL多年来一直在研究的技术。此类涂层可以减少进入等离子体的钨量，同时帮助其保持热量。

另一种可能是使用自旋极化燃料。该方法涉及在聚变发生前对齐燃料核的自旋，增加聚变反应的可能性，并可能提升系统性能。

这些策略共同有助于工程师开发更高效点火且保持稳定状态的反应堆。

目前，所提的先热方法仍处于理论阶段。这些发现来自数学计算，而非直接的实验测量，因为现有实验尚未达到与科尔迪鞍部相关的温度。

研究人员计划通过基于计算机的实验进一步研究他们提出的策略，这将使他们能够在模拟聚变条件下测试热优先路线。

梅纳德说：“虽然还需要更多研究，但我们对这些结果感到振奋，它们为该领域未来研究提供了明确的方向。”

这项工作为聚变能源面临的持续挑战之一提供了新的视角。科学家们不仅仅将等离子体推向更高密度和温度，不如通过选择更高效的路径，达到同样的关键目标。

参考文献：《广义劳森-科迪-米尔斯聚变点火的可及性》，作者：Luis F. Delgado-Aparicio、Masayuki Ono和Jonathan E. Menard，2026年9月10日，《物理评论快报》。
DOI：10.1103/mmc9-nzfx

该研究由能源部科学办公室聚变能源科学办公室支持，合同编号为DE-AC02-09CH11466。其他支持包括2015年聚变能源科学早期职业奖、2018年诊断创新与开发奖，以及2021年和2025年长脉冲托卡马克研究项目。