可控核聚变技术被认为是未来解决能源需求的终极手段，因为它需要的燃料等成本很低，产生的能量却很高。所以全球主要大国都在致力于可控核聚变技术的研究开发，然而数十年来，虽然人类在这方面进行了不懈的努力，但是由于种种技术问题和瓶颈的阻碍，使得可控核聚变至今未能投入商业化使用，甚至有人称“可控核聚变技术距离实用化一直相差50年”。
不过就在近日，一项于本月中旬发表在《核聚变》杂志上的研究揭示了通过改进聚变燃料来解决核聚变能源实用化关键挑战的新途径。来自美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员开发出一种优化燃料混合物和利用自旋极化提高聚变能效的方法，该方法有望显著减少氚的用量，推动更小、更易于管理的聚变反应堆的实现，并降低运行成本，增强安全性能。
该方法建立在氘和氚作为最有前途的核聚变能源燃料的基础上，通过自旋极化技术增强它们的量子特性。具体来说，研究人员调整了大约一半燃料原子的量子自旋，以提高聚变反应的性能。此外，燃料组合中氘的比例也得到优化，从而进一步提高了效率。
普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员开发的模型显示，这些调整可以使氚的燃烧效率显著提高，同时保持核聚变的功率输出。这意味着启动和维持聚变反应所需的氚元素的供应量将大幅减少，为更小、更具成本效益的聚变系统铺平了道路。
据该研究的第一作者、实验室研究物理学家杰森·帕里西介绍，核聚变真的非常非常难，因此改进的幅度之大令人惊讶。这篇论文表明，该方法燃烧氚的效率可以提高10倍之多。
PPPL首席研究物理学家兼论文共同作者艾哈迈德·迪亚洛将氚的燃烧效率比作煤气炉的效率。他表示，在核聚变装置中，氚通常不会完全燃烧，而且很难得到。因此，提高氚的燃烧效率是研究人员努力的方向。
量子自旋在核聚变中发挥着重要作用。当两个核聚变燃料原子具有相同的量子自旋时，它们就更有可能发生融合。通过放大聚变截面，相同数量的燃料可以产生更多能量。虽然现有的自旋极化方法并不能使每个原子对齐，但PPPL模型中显示的收益并不需要100%的自旋对齐。适度的自旋极化可以大幅提高氚燃烧的效率，从而提高整体效率并减少氚的消耗。
由于需要的氚更少，聚变发电厂的总体规模可以缩小，从而更容易获得许可、选址和建造。这将降低聚变系统的运行成本。此外，氚具有放射性，虽然其辐射寿命相对较短，但减少氚的用量也有安全方面的好处，因为这样可以降低氚泄漏或污染的风险。
然而，将自旋极化燃料注入聚变容器所需的技术仍需进一步研究。实现拟议系统所需但尚未充分探索的问题也需要开展进一步的工作。尽管如此，研究人员对探索这一新途径充满信心。
这项研究不仅展示了自旋极化燃料在核聚变中的潜力，还为可控核聚变技术的发展开辟了新道路。通过减少氚的用量和提高聚变效率，研究人员为实现更小、更经济、更安全的聚变反应堆迈出了重要一步。这将为未来的能源供应提供更为可持续和环保的解决方案。
消息来源：《中文业界资讯》11月21日报道《科学家可能刚刚解决了可控核聚变的最大问题》
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