自人類知曉太陽能量源于核聚變后，在地球上復(fù)現(xiàn)這一終極能源過程就成了幾代科學(xué)家的夢想。若能成功，人類將擁有近乎無限的清潔能源。然而，讓兩個原子核克服巨大靜電斥力相互靠近并融合，需要極端的高溫高壓條件，且消耗能量往往大于產(chǎn)生的能量。

解決該問題的途徑之一是提高燃料密度，以此增加聚變過程中粒子碰撞融合的概率。8月20日，《自然》（Nature）雜志發(fā)表了加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)柯蒂斯·貝林格特（Curtis Berlinguette）團(tuán)隊的最新研究成果。他們設(shè)計出“雷鳥反應(yīng)堆”（Thunderbird Reactor）這一粒子反應(yīng)裝置，利用電化學(xué)方法增加了燃料密度，顯著提高了氘的核聚變速率。這一發(fā)現(xiàn)雖未解決能量增益問題，但其原理性突破，可能為低能核反應(yīng)研究乃至未來的聚變技術(shù)鋪平道路。

不列顛哥倫比亞大學(xué)（UBC）的雷鳥反應(yīng)堆。圖片來自作者

核聚變是兩個較輕原子核結(jié)合成一個較重原子核的過程，會釋放巨大能量?？茖W(xué)家主要研究氘（dāo）和氚（chuān）的聚變反應(yīng)，因?yàn)樗鼈冊谙鄬Α皽睾汀睏l件下就能發(fā)生，需上億攝氏度高溫使物質(zhì)變成等離子體狀態(tài)，還需強(qiáng)大磁場或激光將其約束在有限空間內(nèi)，并維持足夠高密度以確保足夠多的碰撞。

該研究未采用建造更強(qiáng)磁場或更高溫度的傳統(tǒng)思路，而是在固體材料內(nèi)部創(chuàng)造極高的局部燃料密度。在“雷鳥反應(yīng)堆”中，一束氘離子流像發(fā)射子彈一樣持續(xù)轟擊金屬鈀制成的靶材。當(dāng)氘離子擊中鈀靶時，一部分與靶材中已被吸附的氘原子發(fā)生聚變，大量氘離子會“鉆”進(jìn)鈀的晶格結(jié)構(gòu)中并被“卡”住。

隨著時間推移，鈀靶內(nèi)部的氘濃度越來越高，形成高密度“燃料庫”。這使后續(xù)射入的氘離子有更大幾率撞上先前植入的氘，讓聚變反應(yīng)速率不斷攀升，直至達(dá)到飽和穩(wěn)定狀態(tài)。

之后，研究人員將鈀靶作為電化學(xué)電池的一個電極。啟動電池時，電化學(xué)反應(yīng)會驅(qū)動溶液中更多氘原子被“泵”入鈀靶內(nèi)部，進(jìn)一步將更多“燃料”塞進(jìn)本已擁擠的鈀晶格中，使局部氘密度超越僅靠離子束所能達(dá)到的極限。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，電化學(xué)裝置啟動后，氘的聚變速率在原有基礎(chǔ)上平均增加了15%。

這項工作表明可控的、低能量的電化學(xué)方法能夠提升核聚變效率，但距離商業(yè)聚變發(fā)電還有極遠(yuǎn)的距離。研究團(tuán)隊指出，目前的“雷鳥反應(yīng)堆”能量轉(zhuǎn)化效率還很低，每輸入15瓦的電能，產(chǎn)生的聚變能量輸出僅有約十億分之一瓦（1x10?? W）。

在同期發(fā)表于《自然》的評論文章中，艾米·麥基翁 - 格林（Amy McKeown - Green）和珍妮弗·迪翁（Jennifer Dionne）表示：“盡管如此，使用電化學(xué)方法來增加核聚變速率是一個重大成就。這項工作憑借涵蓋了核物理、化學(xué)和材料科學(xué)的技術(shù)進(jìn)展，作者正為利用可獲取的臺式核反應(yīng)堆驅(qū)動低能核聚變的更廣泛研究鋪平道路?！?/p>

參考文獻(xiàn):

https://www.nature.com/articles/s41586 - 024 - 07527 - 3

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