可控低能电化学方法提升核聚变效率的新进展

自人类知晓太阳能量源于核聚变后，在地球上复现这一终极能源过程就成了几代科学家的梦想。若能成功，人类将拥有近乎无限的清洁能源。然而，让两个原子核克服巨大静电斥力相互靠近并融合，需要极端的高温高压条件，且消耗能量往往大于产生的能量。

解决该问题的途径之一是提高燃料密度，以此增加聚变过程中粒子碰撞融合的概率。8月20日，《自然》（Nature）杂志发表了加拿大英属哥伦比亚大学柯蒂斯·贝林格特（Curtis Berlinguette）团队的最新研究成果。他们设计出“雷鸟反应堆”（Thunderbird Reactor）这一粒子反应装置，利用电化学方法增加了燃料密度，显著提高了氘的核聚变速率。这一发现虽未解决能量增益问题，但其原理性突破，可能为低能核反应研究乃至未来的聚变技术铺平道路。

不列颠哥伦比亚大学（UBC）的雷鸟反应堆。图片来自作者

核聚变是两个较轻原子核结合成一个较重原子核的过程，会释放巨大能量。科学家主要研究氘（dāo）和氚（chuān）的聚变反应，因为它们在相对“温和”条件下就能发生，需上亿摄氏度高温使物质变成等离子体状态，还需强大磁场或激光将其约束在有限空间内，并维持足够高密度以确保足够多的碰撞。

该研究未采用建造更强磁场或更高温度的传统思路，而是在固体材料内部创造极高的局部燃料密度。在“雷鸟反应堆”中，一束氘离子流像发射子弹一样持续轰击金属钯制成的靶材。当氘离子击中钯靶时，一部分与靶材中已被吸附的氘原子发生聚变，大量氘离子会“钻”进钯的晶格结构中并被“卡”住。

随着时间推移，钯靶内部的氘浓度越来越高，形成高密度“燃料库”。这使后续射入的氘离子有更大几率撞上先前植入的氘，让聚变反应速率不断攀升，直至达到饱和稳定状态。

之后，研究人员将钯靶作为电化学电池的一个电极。启动电池时，电化学反应会驱动溶液中更多氘原子被“泵”入钯靶内部，进一步将更多“燃料”塞进本已拥挤的钯晶格中，使局部氘密度超越仅靠离子束所能达到的极限。实验结果显示，电化学装置启动后，氘的聚变速率在原有基础上平均增加了15%。

这项工作表明可控的、低能量的电化学方法能够提升核聚变效率，但距离商业聚变发电还有极远的距离。研究团队指出，目前的“雷鸟反应堆”能量转化效率还很低，每输入15瓦的电能，产生的聚变能量输出仅有约十亿分之一瓦（1x10⁻⁹ W）。

在同期发表于《自然》的评论文章中，艾米·麦基翁 - 格林（Amy McKeown - Green）和珍妮弗·迪翁（Jennifer Dionne）表示：“尽管如此，使用电化学方法来增加核聚变速率是一个重大成就。这项工作凭借涵盖了核物理、化学和材料科学的技术进展，作者正为利用可获取的台式核反应堆驱动低能核聚变的更广泛研究铺平道路。”

参考文献:

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

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