美国宇航局核聚变能源的新捷径

物理学家首先怀疑一个多世纪前，氢聚变成氦为太阳提供了能量。研究人员花了多年时间才解开恒星内部较轻的元素相互碰撞成较重元素并在此过程中释放能量的秘密。科学家和工程师们继续研究太阳的聚变过程，希望有一天能利用核聚变产生热量或电能。但是，以这种方式满足我们的能源需求的前景仍然难以捉摸。

相比之下，从核裂变中提取能量发生得相对较快。1938年在德国发现了铀的裂变，仅仅过了四年，第一个核“堆”就于1942年在芝加哥建成。

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目前大约有440个裂变反应堆在全球范围内运行，加起来可以产生大约400千兆瓦的电力，而且零碳排放。然而，这些裂变工厂尽管价值不菲，但也有相当大的缺点。他们使用的浓缩铀燃料必须得到保障。毁灭性的事故，就像在福岛在日本，会使一些地区无法居住。核裂变废料的副产品需要安全处理，它们的放射性可以持续数千年。因此，政府、大学和公司长期以来都在寻求融合来解决这些问题。

对此感兴趣的各方包括美国国家航空航天局。美国宇航局需要大量能源进行深空旅行，包括探测器和载人月球和火星任务。60多年来，光伏电池，燃料电池,或放射性同位素热电发电机(rtg)为宇宙飞船提供了动力。rtg依赖于非裂变钚-238衰变时产生的热量，已经显示出优异的寿命旅行者号探测器例如，使用这种发电机，在发射后近45年仍可运行。但这些发电机将热量转化为电能的效率大约为7.5%。现代宇宙飞船需要比合理尺寸的RTG提供更多的能量。

一个有希望的替代方案是晶格约束聚变(LCF)，一种将核燃料束缚在金属晶格中的核聚变。这种限制促使带正电的原子核融合，因为导电金属的高电子密度降低了两个原子核在靠近时相互排斥的可能性。

氘化的铒(化学符号ErD)_3.)被放入拇指大小的小瓶中，如2018年6月20日实验的一组样本所示。在这里，小瓶被排列在实验前，用抹布在金属的顶部，以保持金属在实验期间的位置。金属已经开始破裂，表明它已经完全饱和。美国国家航空航天局

小瓶倒置放置，使金属与伽马射线束对齐。伽马射线把透明玻璃变成了琥珀色。美国国家航空航天局

我们和其他科学家和工程师在美国宇航局格伦研究中心例如，他们正在研究这种方法是否有一天能提供足够的能量来运行火星表面的小型机器人探测器。LCF将消除对浓缩铀等裂变材料的需求，这些材料的获取成本很高，而且难以安全处理。LCF承诺比其他利用核聚变的策略更便宜、更小、更安全。随着技术的成熟，它也可以在地球上找到用途，比如为单个建筑物建造小型发电厂，这将减少对化石燃料的依赖，增加电网的弹性。

物理学家一直以来认为核聚变应该能够提供清洁的核能。毕竟，太阳就是这样发电的。但太阳有巨大的体积优势。太阳直径近140万公里，等离子体核心的密度是液态水的150倍，加热到1500万摄氏度，太阳利用热量和重力迫使粒子聚集在一起，并保持它的聚变炉升温。

在地球上，我们缺乏以这种方式生产能源的能力。聚变反应堆需要达到燃料粒子密度、约束时间和等离子体温度的临界水平劳森标准以发明者约翰·劳森的名字命名)来实现净正能量输出。到目前为止，还没有人这样做过。

核聚变反应堆通常使用两种不同的氢同位素:氘(一个质子和一个中子)和氚(一个质子和两个中子)。它们被聚变成氦核(两个质子和两个中子)——也被称为α粒子——剩下一个未结合的中子。

现有的聚变反应堆依赖于产生的阿尔法粒子——以及它们产生过程中释放的能量——来进一步加热等离子体。等离子体将驱动更多的核反应，最终目标是提供净功率增益。但也有限制．即使在反应堆可以产生的最热的等离子体中，α粒子也会跳过额外的氘核，而不会传递太多的能量。为了使聚变反应堆取得成功，它需要在α粒子和氘原子核之间创造尽可能多的直接碰撞。

在20世纪50年代，科学家们创造了各种磁约束聚变装置，其中最著名的是安德烈·萨哈罗夫的托卡马克而且莱曼·斯皮策的恒星器．撇开设计细节的差异不谈，两种方法都在尝试近乎不可能的事情:将气体加热到足以使其成为等离子体，并对其进行足够的磁挤压以引发聚变——所有这些都不让等离子体逃逸。

1970年代，惯性约束核聚变装置紧随其后。他们使用激光和离子束在直接驱动内爆中压缩目标表面，或者在间接驱动内爆中为内部目标容器提供能量。与磁约束反应不同，磁约束反应可以持续几秒钟甚至几分钟(也许有一天，无限期地)，惯性约束聚变反应在目标分解之前只持续不到一微秒，从而结束反应。

这两种类型的设备都可以产生聚变，但到目前为止，它们无法产生足够的能量来抵消启动和维持核反应所需的能量。换句话说，输入的能量比输出的能量多。混合方法，统称为磁惯性聚变，面临着同样的问题。

目前的核聚变反应堆也需要大量的氚作为燃料混合物的一部分。氚最可靠的来源是裂变反应堆，这在某种程度上违背了使用核聚变的目的。

这些技术的基本问题是，反应堆中的原子核需要有足够的能量——意味着足够热——来克服库仑势垒，即带正电的原子核相互排斥的自然趋势。由于库仑势垒的存在，正在发生聚变的原子核具有非常小的聚变截面，这意味着两个粒子发生聚变的概率很低。你可以通过将等离子体温度提高到1亿°C来增加截面，但这需要越来越大的努力来限制等离子体。目前，在数十亿美元的投资和数十年的研究之后，这些我们称之为“热聚变”的方法仍然有很长的路要走。

的障碍地球上的热聚变确实是巨大的你可以想象，在航天器上，它们会更加强大，因为航天器上不能携带托卡马克或恒星发生器。裂变反应堆被认为是一种替代方案——美国宇航局成功地测试了Kilopower裂变反应堆在内华达国家安全网站2018年，使用铀-235核纸巾卷．Kilopower反应堆可以产生高达10千瓦的电力。缺点是它需要高浓缩铀，这将带来额外的发射安全和安保问题。这种燃料也很贵。

但是，即使传统的热聚变方法行不通，核聚变仍然可以发挥作用。LCF技术可以足够紧凑，足够轻，足够简单，为航天器服务。

LCF是如何工作的?记得我们之前提到过氘，氢的同位素，原子核中有一个质子和一个中子。氘化金属——在我们的实验中是铒和钛——要么被氘“饱和”，要么被氘原子剥夺了电子(氘)。这是可能的，因为金属自然存在于规则间隔的晶格结构中，这在金属原子之间创造了同样规则的槽，供氘核嵌套。

在托卡马克或恒星发生器中，热等离子体的密度被限制在10¹⁴每立方厘米氘核数。惯性约束聚变装置可以瞬间达到10²⁶每立方厘米氘核数。事实证明，像铒这样的金属可以无限地将氘核保持在接近10的密度²³每立方厘米——远高于磁约束装置所能达到的密度，只比惯性约束装置低三个数量级。关键是，这些金属可以容纳这么多离子在室温下。

氘饱和的金属形成带中性电荷的等离子体。金属晶格对氘核进行了限制和电子屏蔽，使它们无法“看到”相邻的氘核(它们都带正电)。这种筛选增加了更多直接命中的机会，这进一步促进了聚变反应。如果没有电子屏蔽，两个氘核将更有可能相互排斥。

使用一个金属晶格，它屏蔽了稠密的，冷的氘核等离子体，我们可以启动聚变过程使用所谓的电子束加速器．电子束击中钽靶并产生伽马射线，然后照射拇指大小的装有氘化钛或氘化铒的小瓶。

当一束能量足够的伽马射线——约2.2兆电子伏特(MeV)——击中金属晶格中的一个氘核时，这个氘核就会分裂成它的组成部分质子和中子。释放出来的中子可能会与另一个氘核碰撞，使其加速，就像撞球杆在击球时使球加速一样。这第二个，高能氘核然后通过两个过程之一:屏蔽聚变或剥离反应。

在我们在实验中观察到的屏蔽聚变中，高能氘核与晶格中的另一个氘核发生聚变。聚变反应将产生一个氦-3原子核和一个剩余的中子，或者一个氢-3原子核和一个剩余的质子。这些聚变产物可能与其他氘核发生聚变，产生一个α粒子，或者与另一个氦-3或氢-3原子核发生聚变。这些核反应中的每一个都会释放能量，有助于推动更多的核聚变。

在剥离反应中，像我们实验中的钛或铒这样的原子从氘核中剥离质子或中子，并捕获那个质子或中子。铒、钛和其他较重的原子优先吸收中子，因为质子被带正电的原子核排斥(称为奥本海默-菲利普斯反应)。虽然我们还没有观察到，但从理论上讲，电子筛选可能会使质子被捕获，将铒转化为铥或钛转化为钒。两种溶出反应都能产生有用的能量。

目前，在数十亿美元的投资和数十年的研究之后，这些我们称之为“热聚变”的方法仍然有很长的路要走。

当然我们在小瓶的氘化铒和氘化钛中进行聚变，我们使用了中子能谱。这项技术可以探测核聚变反应产生的中子。当氘核-氘核聚变产生一个氦-3原子核和一个中子时，这个中子的能量为2.45兆电子伏。所以当我们探测到2.45兆电子伏的中子时，我们就知道核聚变发生了。这是当我们公布了初步结果在物理评论;

电子筛选使得它似乎就好像氘核在1100万摄氏度的温度下聚变。实际上，金属晶格的温度要比这低得多，尽管在氘核聚变过程中，它会从室温上升一些。

Rich Martin(左)是一名研究工程师，他和合作者Bruce Steinetz (LCF项目前体实验的首席研究员)在运行后检查样品。美国国家航空航天局

总的来说，在LCF中，大多数加热发生在只有几十微米的区域。这比磁约束或惯性约束聚变反应堆更有效，后者会将整个燃料量加热到非常高的温度。LCF不是冷聚变——它仍然需要高能氘核，并且可以用中子来加热它们。然而，LCF也消除了许多阻碍其他聚变计划成功的技术和工程障碍。

虽然我们一直在使用的中子反冲技术是将能量转移到冷氘核的最有效手段，但从发电机中产生中子是能源密集型的。还有其他更低能量的产生中子的方法，包括使用同位素中子源，如镅-铍或加利福尼亚-252，来启动反应。我们还需要使反应自我维持，这可能是可能的使用中子反射器将中子反射回晶格-碳和铍是常见的中子反射器的例子。另一种选择是将聚变中子源与裂变燃料结合起来，以充分利用两者的优势。无论如何，要提高晶格受限核反应的效率，这一过程还需要更多的发展。

我们还通过抽氘气体穿过一层薄薄的钯银合金管，并由用氘电解负载钯．在后一个实验中，我们检测到了快中子。电解装置现在使用我们上面提到的相同的中子光谱学检测方法来测量这些中子的能量。我们得到的能量测量将告诉我们产生它们的核反应的种类。

在这些努力中，我们并不孤单。研究人员劳伦斯伯克利国家实验室该公司位于加州，资金来自谷歌研究,实现了有利的结果用类似的电子屏蔽聚变装置。美国的研究人员。海军水面作战中心，印度分部在马里兰州，他们也获得了同样的收入有希望的初步结果使用电化学方法进行LCF。还有即将举行的会议:the美国核学会的空间核能和新兴技术在克利夫兰召开的会议国际冷聚变会议今年7月，该公司在加州山景城(Mountain View)召开会议，重点关注固态能源。

LCF的任何实际应用都需要高效、自我维持的反应。我们的工作只是实现这一目标的第一步。如果反应速率能够显著提高，LCF可能为产生清洁核能打开一扇全新的大门，无论是为太空任务还是为地球上的许多人都可以使用它。