科學家破解核融合重大難題，無限能源夢更近一步

數十年來，核融合研究人員一直苦於解決中子各向同性的問題，這可是可擴充套件電漿穩定性的關鍵指標。電漿是物質的四種基本狀態之一，另外三種是固態、液態和氣態，它是一種由正離子和自由電子組成的電離氣體，早在1920年代就由化學家歐文・蘭米爾首次描述。Zap Energy的最新研究成果顯示，其FuZE裝置成功避開了過去Z箍縮技術失敗的陷阱，產生了各向同性的中子，這足以證實熱核融合正在發生。

Zap核融合技術的重大里程碑：在物理學中，各向同性指的是一個系統在所有方向上的性質都保持一致。在核融合研究裡，中子能量的各向同性是評估裝置中子發射均勻程度的關鍵指標。這種均勻性至關重要，當核融合電漿呈現各向同性時，就意味著它是穩定的熱電漿，有擴大規模以產生更多能量的潛力。相反地，各向異性的電漿中子發射不均勻，代表不穩定，難以維持可持續的核融合反應。

Zap Energy近期發表在《核融合》期刊上的研究，提供了迄今最有力的證據，證明其剪下流穩定Z箍縮方法能夠產生穩定的熱核融合。這項在FuZE裝置上進行的研究，是證明Zap方法可擴充套件到更高能量輸出的重要里程碑，也增強了人們對下一代FuZE - Q裝置效能潛力的信心。Zap的首席科學家兼共同創辦人尤里・舒姆拉克解釋說：「基本上，這項測量結果表明電漿處於熱力學平衡狀態。這意味著我們可以將電漿規模擴大一倍，並預期同樣的平衡狀態依然存在。」

在Zap的核心裝置內，氫原子核聚變成氦原子核，這個過程會高速射出一個中子。這些中子攜帶了核融合反應產生能量的80%，所以一般來說，中子越多越好。然而，並非所有的核融合反應都是一樣的。Zap追求的是熱核融合，也就是在電漿內部的極高溫度和壓力下，原子核相互融合。隨著透過電漿的電流增加到足以產生淨能量的核融合所需水平，熱核融合產生的高能中子數量會呈指數級增長（大約是10的11次方）。

相對而言，所謂的束靶核融合就沒那麼理想了。當氫原子核被加速到高速並撞擊靜止的原子核時，就會發生束靶核融合。與熱核融合不同，束靶核融合表明電漿處於不平衡狀態，難以擴大規模，要成為可用的能源來源也就困難得多。熱核融合產生的中子速度是各向同性的，也就是在所有方向上能量相同；而束靶核融合產生的中子是各向異性的，某些方向的中子能量更高。因此，比較不同位置的中子能量測量值，是判斷FuZE裝置中非熱核融合比例的簡單方法。

Zap的資深科學家、這項新研究的主要作者瑞秋・瑞安表示：「如果我們發現中子主要來自束靶源，那就意味著我們的機器無法擴大規模，也無法實現淨能量產出。」為了測試FuZE裝置中的中子各向同性，Zap的科學家和工程師們在裝置周圍放置了中子探測器，進行了一系列測試。對同一機器設定下產生的433次電漿射擊進行測量後，發現中子幾乎完全是各向同性的。

中子各向同性不僅是物理學進展的關鍵指標，對Zap的核融合方法還具有特殊的歷史意義。Z箍縮是最古老的核融合方法之一，可以追溯到1950年代。當英國零能量熱核聚變裝置（ZETA）的科學家們開始使用磁場強力壓縮電漿以實現核融合時，他們以為成功了，但結果並不如願。他們的裝置由於磁場不穩定，幾乎完全產生的是束靶核融合，這意味著永遠無法實現淨能量增益的核融合。這個原本讓物理學界充滿希望的時刻，最終變成了失望和公關災難。

雖然各向同性問題對基於箍縮的方法來說是一大敗筆，但所有核融合技術都有因束靶中子而產生誤判的風險。例如，一種稱為稠密電漿焦點（DPF）的裝置，也基本上被排除在成為實用核融合發電廠的途徑之外。雖然它們在某些方面與Zap的裝置相似，也被認為是產生中子的有效手段，但DPF的中子主要來自束靶相互作用。

在這些實驗的陰影下，Zap格外在意其裝置產生的中子所傳達的訊息。該公司在2018年首次測量到熱核融合，而這些以更高靈敏度和更高能量進行的新測試，再次證實了剪下流可以延緩導致先前Z箍縮技術失敗的不穩定性。無需任何外部磁場約束的可擴充套件熱Z箍縮核融合，依舊前景可期。舒姆拉克表示：「這篇論文代表了一個重要的物理學考量，這就是我們為何要如此努力進行精確測量的原因。」

自2023年加入Zap以來，瑞安在規劃和執行Zap的中子測量工作中發揮了主導作用，她的工作是基於勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的合作夥伴和共同作者先前的研究。該團隊接下來的計畫是在Zap的FuZE - Q裝置上以更高能量進行同樣的測試，初步結果令人鼓舞。瑞安說：「隨著我們不斷擴大規模，持續進行這項測量，並檢查束靶核融合是否影響我們的產量，這一點非常重要。」

有趣的是，論文還指出，在每次射擊即將結束時，中子的各向同性降低，均勻性也消失了。研究人員認為，這可能是箍縮在崩潰並完全停止產生核融合之前變得不穩定的階段。瞭解這個階段，或許能讓我們更好地掌握如何防止不穩定性中斷核融合，進一步提高電漿的持續時間和效能。

參考文獻：R.A. Ryan、P.E. Tsai、A.R. Johansen、A.E. Youmans、D.P. Higginson、J.M. Mitrani、C.S. Adams、D.A. Sutherland、B. Levitt和U. Shumlak所著的《剪下流穩定Z箍縮中中子能量各向同性的時間分辨測量》，發表於2025年1月31日的《核融合》期刊。DOI: 10.1088/1741 - 4326/ada8bf