一种旨在提高聚变燃料效率的新策略涉及对氘和氚的量子自旋进行对齐以及修改燃料混合。这可能会使氚燃烧的效率提高多达10倍，从而减少对氚的需求并降低与聚变系统相关的成本。这种创新方法可能导致更安全和更紧凑的聚变装置，最终使聚变能源变得更加可行和经济。
根据最近的一项研究，使用具有改进特性的不同燃料组合可以帮助解决使聚变成为可行能源解决方案的重要挑战。
这种新方法仍将利用氘和氚，这被广泛认为是最适合用于聚变能源生成的燃料对。然而，该方法涉及调整燃料的量子特性，以通过称为自旋极化的技术实现最佳效率。在这种方法中，一半的燃料将被自旋极化，并且氘的比例将增加到典型水平（约60%）以上。
美国能源部普林斯顿等离子物理实验室（PPPL）的研究人员开发的模型表明，这种方法可以显著提高氚燃烧效率，而不影响聚变输出。这一改善可能导致启动和维持聚变反应所需的氚量大幅减少，从而导致更小、更经济的聚变设施。
“聚变是非常具有挑战性的，自然并没有给我们提供方便，”实验室的高级研究物理学家、该研究的首席作者杰森·帕里西表示。“因此，改善的程度真是意想不到。”
这些发现发表在《核聚变》期刊上，表明这种新方法可以将氚燃烧效率提高多达十倍。这项研究强调了PPPL在聚变技术进步中的先锋作用，尤其是关于帕里西研究所考察的系统，该系统涉及超热气体以产生被磁场保持的等离子体，形状如同苹果的核心。实验室主要的聚变装置，国家球形托卡马克实验——升级(NSTX-U)，在设计上与研究人员在实验中分析的系统相似。
“这是研究人员首次探讨自旋极化燃料如何提高氚燃烧效率，”合著者、PPPL的高级研究物理学家雅各布·施瓦茨评论道。
通过最大化燃烧效率来减少氚需求
PPPL的首要研究物理学家、该研究的合著者阿赫梅德·迪亚洛将氚燃烧效率与煤气炉进行比较。“当煤气从炉子中排出时，目标是将其全部燃烧，”迪亚洛解释道。“在聚变反应堆中，氚并不是完全燃烧的，获取氚也很困难。因此，我们的目标是提高氚燃烧效率。”
PPPL团队与聚变社区及更广泛的自旋极化领域的专业人士合作，以提高氚燃烧效率。“聚变跨越多个科学和工程学科。进展需要多个领域的创新，但当不同研究领域汇聚时，通常会产生出意想不到的结果，”帕里西指出。
一种新的自旋类型
量子自旋与人们可能在棒球上观察到的物理自旋有显著不同。例如，一名熟练的投手可以施加几种类型的自旋。然而，粒子的量子自旋只有有限的选择，如“向上”或“向下”。
当两个聚变燃料原子的量子自旋相同时，它们的聚变概率会提高。“通过增强聚变截面，可以从相同数量的燃料中产生更多能量，”帕里西解释道。
尽管目前的自旋极化技术并不能使每个原子完全对齐，但PPPL模型中观察到的增益并不需要完全的自旋对齐。实际上，该研究表明，即使适度水平的自旋极化也能显著提高氚燃烧效率，改善整体燃料利用率并减少氚消耗。
提高效率以降低氚需求
随着对氚的需求减少，聚变发电厂的整体规模可以减小，从而简化许可证、安装和建设过程。这一集体进步应减少聚变系统的运营成本。
氚是放射性物质；尽管其辐射持续的时间比核裂变反应堆的废燃料短，降低使用量能通过降低泄漏或污染的风险来提高安全性。
“流经系统的氚越少，渗入组件的可能性就越小，”帕里西详细解释。此外，氚的存储和处理设施可以大大更小和更高效。这一点简化了核许可证的流程。“一个普遍的看法是站点边界的大小与氚的数量有关。因此，氚越少，发电厂就可以越小，这可以加速批准流程并降低成本，”他补充道。
新的研究机会
美国能源部科学办公室已资助对注入自旋极化燃料到聚变容器所需技术的进一步研究。还需要进一步调查以确定实施提议系统所需的要素，这仍然是未知领域。“我们仍需要确定是否可以在特定流量的剩余燃料和等离子体灰烬的流动下维持高质量的聚变等离子体，”施瓦茨表示。
迪亚洛承认与极化技术相关的潜在挑战，但强调这些也代表了机会。“一个挑战将是开发大规模生产自旋极化燃料的方法，并随后对其进行存储。这将打开一个全新的技术领域。”
