普林斯顿实验室新发现：量子"自旋"可大幅提升聚变燃料效率

普林斯顿实验室新发现：量子"自旋"可大幅提升聚变燃料效率

核聚变被视为未来能源的重要发展方向，而如何提高聚变燃料的效率一直是研究的重点。近日，普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员发现，通过调整氘氚聚变燃料的量子"自旋"特性，可以显著提高其效率，并使其更容易经济地发电。

图片：Kyle Palmer/PPPL 通讯部

自旋极化带来的突破

PPPL的研究人员在一项新研究中发现，与非极化燃料相比，自旋极化氘氚（DT）燃料中氘的含量多于氚，可将氚的燃烧效率提高至少十倍，而不会影响聚变功率输出。

这种方法将产生两大影响：

1. 需要更少的氚，氚在自然界中很稀有，需要“培育”才能用于聚变
2. 可以缩小聚变电站的整体规模，使其更容易获得许可、定位和建造

这些措施结合起来将降低开发和运行聚变系统的总体成本。

“核聚变真的非常困难，而且大自然也不会给你太多帮助，”PPPL的研究员、该研究论文的第一作者Jason Parisi说道。“因此，效率的提升幅度之大令人感到惊讶。”

量子自旋的原理

与可以通过多种自旋中的任意一种来抛出的球不同，粒子的量子自旋只有几个离散选项，例如向上和向下。当两个聚变燃料原子具有相同的量子自旋时，它们更有可能发生聚变。

现有的自旋极化方法并不能使每个原子对齐，但建模表明，不需要100%的自旋对齐，只需适度的自旋极化水平就可以显著提高氚燃烧的效率，从而提高整体效率并减少氚消耗。

具体数据支持

通常情况下，用于聚变的DT混合物比例约为50:50，而PPPL的研究人员发现，类似ARC的托卡马克（类似于PPPL的主要聚变装置）使用非极化的53:47 DT燃料产生481MW的聚变功率，所需的最低启动氚库存为0.69千克。

通过对一半燃料进行自旋极化并使用60:40 DT混合物，最低启动氚库存量减少至0.08千克，而使用63:37 DT混合物对燃料进行完全自旋极化则可进一步将氚库存量减少至0.03千克。

根据这些发现，研究人员认为，随着氦偏滤器泵送效率的提高，使用低氚分数和自旋极化燃料，以最小的功率损失实现约10%-40%的氚燃烧效率值。他们表示，这将大大降低启动时氚的库存要求，并减少现场氚的数量。

未来展望

该研究发表在《核聚变》杂志上，首次揭示了自旋极化燃料如何提高氚燃烧效率。需要进一步研究实施所提议系统所需的要求。

目前，在美国能源部的资助下，正在进行一项独立研究，旨在研究将自旋极化燃料注入聚变容器所需的技术。我们还需要进一步研究极化方法以及自旋极化燃料的储存等。

本文原文来自普林斯顿等离子体物理实验室