【Gemini 翻译】科学家发现实现核聚变的一条出人意料的捷径 网页链接
**普林斯顿大学 — 2026年10月16日**
*普林斯顿等离子体物理实验室的科学家们发现了一条通往核聚变的出人意料的捷径，该途径可大幅降低实现点火所需的能量。图片来源：Shutterstock*
*科学家们可能已经找到了一条通往核聚变的出人意料的捷径，这能够大幅削减点燃太阳般能量所需的能耗。*
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可能更为高效的实现核聚变的方法——核聚变正是为太阳提供能量的过程。他们的计算表明，改变等离子体加热与压缩的先后顺序，可以大幅降低达到点火所需的能量，而点火正是追求实用化聚变能源进程中的一个关键里程碑。
七十多年来，科学家们一直依赖名为劳森判据（Lawson criterion）的方程，来判断等离子体能否在足够长的时间内保持充分的高温和高密度，从而在没有额外外部加热的情况下维持聚变反应。该方程建立于20世纪50年代，确定了实现点火所需的条件，但并未解释实现这些条件的最有效途径。
如今，PPPL的物理学家路易斯·德尔加多-阿帕里西奥（Luis Delgado-Aparicio）、小野雅之（Masayuki Ono）和乔纳森·梅纳德（Jonathan Menard）对这一已有数十年历史的框架进行了更新。通过纳入影响聚变等离子体行为的四个额外因素，他们建立了一个更全面的模型，用以确定聚变系统应当如何加热并维持其燃料。
他们的研究成果发表在《物理评论快报》（*Physical Review Letters*）期刊上。
要理解这项发现的重要性，了解什么是等离子体会有所帮助。等离子体常被称为物质的第四态，是一种极热的气体，其内部粒子带有电荷。当等离子体达到点火状态时，聚变反应释放的能量会产生足够的热量来维持整个过程，而无需进一步的外部加热。高效地实现这一条件，是聚变能源研究人员面临的核心挑战之一。
*托卡马克聚变系统的艺术想象图。图片来源：Kyle Palmer / PPPL 传播部*
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通往聚变点火的出人意料的捷径
德尔加多-阿帕里西奥将团队的发现比作在群山中找到了一条更平坦的通道。想象一下，点燃聚变所需的能量就像地貌景观，目的地位于一座巍峨的高山之后。
许多被提出的聚变方案相当于直接翻越那座高山：它们首先提高等离子体的密度，然后再提供达到点火所需的热量。然而，研究人员的计算指向了一条要求更低的路径：先提高等离子体的温度，随后再增加其密度。
“许多公司希望迎头翻越山峰，并消耗巨大的能量到达目的地，”德尔加多-阿帕里西奥说，“绕过山峰即可。你能以更巧妙的方式到达同一个地方，而且消耗的能量要少得多。”
其中的数学解释涉及一个被称为科迪鞍点（Cordey saddle）的区域。就像山口一样，它代表了横亘在‘仍需外部加热的等离子体’与‘能够自我维持聚变反应的等离子体’之间的能量壁垒的最低点。
为了评估可行的路径，研究人员使用了一个称为 $Q$ 值的衡量指标，即聚变产生的功率与输入的外部加热功率之比。在仅包含聚变燃料的理想等离子体中，当聚变产生的功率约为所提供加热功率的五倍时，便会出现科迪鞍点。
在实际的聚变装置中，情况会变得更加复杂。等离子体内部的杂质以及极强的磁场可能会改变该临界点的位置，从而增加达到该点所需的 $Q$ 值。
*PPPL 物理学家路易斯·德尔加多-阿帕里西奥、小野雅之和乔纳森·梅纳德。图片来源：Michael Livingston / PPPL 传播部*
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未来聚变反应堆的新路线图
这些发现可能对被称为托卡马克（tokamak）和仿星器（stellarator）的聚变装置的设计产生重要影响。
研究人员和私营企业正在研究几种最终有望通过核聚变为电网发电的技术。托卡马克是主要方案之一。这些环状甜甜圈形状的装置利用强大的磁场来约束等离子体，同时对其进行加热并使其达到聚变点火所需的密度。
确定一条更高效的点火途径，可以帮助工程师在这些机器的设计和运行方面做出更好的决策。这项工作还支持了 PPPL 为扫除商业聚变电力和未来聚变试验堆道路上的科学与技术障碍所做出的更广泛努力。
该新模型的一个主要优势在于，它同时考虑了数个重要的物理过程。以往的研究往往分别考察这些效应，这使得人们更难理解它们在真实运行工况下是如何相互作用的。
研究人员纳入了可能改变维持聚变所需条件的四个额外影响因素：
1. **氦灰（Helium ash）：** 聚变反应残留的氦气可能在等离子体内部积累，从而降低可用燃料的浓度。2. **等离子体杂质（Plasma impurities）：** 从反应堆内壁释放出的轻元素和重元素均会污染等离子体并干扰聚变。3. **同步辐射（Synchrotron radiation）：** 运动中的带电粒子（尤其是电子）会以辐射形式释放能量，导致能量损失。4. **从等离子体逃逸的热量（Heat escaping from the plasma）：** 能量可能从受约束的等离子体中流失，并且随着温度升高，这种损失会变得更加显著。
综合考虑这些效应，可以更真实地展现聚变反应堆必须克服的挑战。
“当你忽略这些效应时，你会认为设计能顺利工作，”小野说，“但当你将它们纳入考虑时，情况就完全变了，而且变得至关重要。”
小野表示，他们的目标是建立一个统一的通用框架，使科学家在投入资金进行建造之前，能够用它来评估拟建的聚变系统。将劳森判据视为单一、不变的阈值，可能会忽略掉大幅改变点火所需条件的物理效应。
“聚变实验耗资巨大，你绝不希望犯下那些本可以事先发现的错误，”他说。
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微量钨元素可能让聚变变得艰难得多
该分析还凸显了一个涉及聚变反应堆建造材料的潜在严峻挑战。
十多台先进聚变装置正被设计为其内壁衬有钨材料。工程师们青睐这种金属，是因为它能承受与聚变等离子体相关的极高热量——这些等离子体的温度必须超过太阳中心的温度。
然而，哪怕只有极微量的钨进入等离子体，都会产生严重问题。
研究人员发现，仅仅万分之一浓度的钨，就可能使实现点火所需的压强增加大约一倍。这意味着，从反应堆壁释放出的极微量材料，都会显著增加维持聚变的难度。
这些计算基于二维分析。当该模型拓展至三维时，所需的压强可能会上升到超出等离子体保持稳定的极限。
结果表明，反应堆设计中看似微小的细节，都可能对聚变性能产生重大影响。
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聚变能量损失带来的意想不到的益处
尽管能量损失使得点火变得更加困难，但研究人员发现，这些相同的效应同样有助于防止另一种问题的发生。
聚变科学家长期以来一直在考虑发生热“失控”不稳定性的可能性。当聚变反应产生的热量加速了额外的聚变反应、从而产生更多热量并可能形成自我强化的循环时，就会发生这种情况。
新的计算表明，导致从等离子体中带走能量的那些物理过程，同样可以限制这种反馈机制。在协同作用下，这些效应可以使处于燃烧状态的等离子体在无需持续外部加热的情况下，维持稳定的运行状态。
（与核裂变电站不同，聚变系统在同一时刻仅容纳可用数秒的燃料，因此失去控制意味着等离子体降温并停止燃烧，而不会发生更严重的事故。）
这一发现表明，传统上被视为点火障碍的某些物理过程，也可能有助于正在运行的聚变反应堆的稳定性。
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液态锂与先进燃料有望提高聚变效率
该研究指出了克服新模型所揭示问题的潜在途径。
一个充满前景的选项是用液态锂涂覆聚变系统的内壁，这是 PPPL 多年来一直在研究的一项技术。此类涂层不仅可以减少进入等离子体的钨含量，还可以帮助等离子体保持热量。
另一种可能性是使用自旋极化燃料（spin-polarized fuel）。该方法涉及在聚变发生前将燃料原子核的自旋方向排列一致，从而增加聚变反应发生的几率，并有望提升系统性能。
结合起来，这些策略可以帮助工程师开发出能够更高效实现点火、同时保持稳定工况的反应堆。
目前，提出的“先加热”方案仍处于理论阶段。由于现有的实验尚未达到与科迪鞍点相关的温度，这些发现源自数学计算而非直接的实验测量。
研究人员计划通过计算机仿真实验进一步研究他们提出的策略，这使他们能够在模拟的聚变条件下测试这种先加热的路径。
“尽管还需要更多研究，但我们对这些结果感到振奋，它们为该领域的未来研究指明了一条清晰的道路，”梅纳德说。
这项工作为聚变能源领域最顽固的挑战之一提供了新的视角。科学家们或许可以通过选择一条更为高效的路径到达同一个关键目标，而不必一味地将等离子体推向越来越高的密度和温度。
**参考文献：** “Generalized Lawson-Cordey-Mills Accessibility of Fusion Ignition” 网页链接 ，作者：Luis F. Delgado-Aparicio, Masayuki Ono and Jonathan E. Menard, 2026年9月10日，*Physical Review Letters*。
