可控核聚變技術被認為是未來解決能源需求的終極手段，因為它需要的燃料等成本很低，產生的能量卻很高。所以全球主要大國都在致力於可控核聚變技術的研究開發，然而數十年來，雖然人類在這方面進行了不懈的努力，但是由於種種技術問題和瓶頸的阻礙，使得可控核聚變至今未能投入商業化使用，甚至有人稱“可控核聚變技術距離實用化一直相差50年”。
不過就在近日，一項於本月中旬發表在《核聚變》雜誌上的研究揭示了透過改進聚變燃料來解決核聚變能源實用化關鍵挑戰的新途徑。來自美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的研究人員開發出一種最佳化燃料混合物和利用自旋極化提高聚變能效的方法，該方法有望顯著減少氚的用量，推動更小、更易於管理的聚變反應堆的實現，並降低執行成本，增強安全效能。
該方法建立在氘和氚作為最有前途的核聚變能源燃料的基礎上，透過自旋極化技術增強它們的量子特性。具體來說，研究人員調整了大約一半燃料原子的量子自旋，以提高聚變反應的效能。此外，燃料組合中氘的比例也得到最佳化，從而進一步提高了效率。
普林斯頓等離子體物理實驗室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，同時保持核聚變的功率輸出。這意味著啟動和維持聚變反應所需的氚元素的供應量將大幅減少，為更小、更具成本效益的聚變系統鋪平了道路。
據該研究的第一作者、實驗室研究物理學家傑森·帕裡西介紹，核聚變真的非常非常難，因此改進的幅度之大令人驚訝。這篇論文表明，該方法燃燒氚的效率可以提高10倍之多。
PPPL首席研究物理學家兼論文共同作者艾哈邁德·迪亞洛將氚的燃燒效率比作煤氣爐的效率。他表示，在核聚變裝置中，氚通常不會完全燃燒，而且很難得到。因此，提高氚的燃燒效率是研究人員努力的方向。
量子自旋在核聚變中發揮著重要作用。當兩個核聚變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使每個原子對齊，但PPPL模型中顯示的收益並不需要100%的自旋對齊。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。
由於需要的氚更少，聚變發電廠的總體規模可以縮小，從而更容易獲得許可、選址和建造。這將降低聚變系統的執行成本。此外，氚具有放射性，雖然其輻射壽命相對較短，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汙染的風險。
然而，將自旋極化燃料注入聚變容器所需的技術仍需進一步研究。實現擬議系統所需但尚未充分探索的問題也需要開展進一步的工作。儘管如此，研究人員對探索這一新途徑充滿信心。
這項研究不僅展示了自旋極化燃料在核聚變中的潛力，還為可控核聚變技術的發展開闢了新道路。透過減少氚的用量和提高聚變效率，研究人員為實現更小、更經濟、更安全的聚變反應堆邁出了重要一步。這將為未來的能源供應提供更為可持續和環保的解決方案。
訊息來源：《中文業界資訊》11月21日報道《科學家可能剛剛解決了可控核聚變的最大問題》
