圖片：Kyle Palmer/PPPL 通訊部

調整氘氚聚變燃料的量子“自旋”特性可以顯著提高其效率，并使其更容易經濟地發電。

普林斯頓等離子體物理實驗室 (PPPL) 的研究人員在一項新研究中發現，與非極化燃料相比，自旋極化氘氚 (DT) 燃料中氘的含量多于氚，可將氚的燃燒效率提高至少十倍，而不會影響聚變功率輸出。

這種方法將產生兩大影響 - 一是需要更少的氚，氚在自然界中很稀有，需要“培育”才能用于聚變;二是可以縮小聚變電站的整體規模，使其更容易獲得許可、定位和建造。

這些措施結合起來將降低開發和運行聚變系統的總體成本。

“核聚變真的非常困難，而且大自然也不會給你太多幫助，”PPPL 的研究員、該研究論文的第一作者 Jason Parisi 說道。

“因此，效率的提升幅度之大令人感到驚訝。”

與可以通過多種自旋中的任意一種來拋出的球不同，粒子的量子自旋只有幾個離散選項，例如向上和向下。

當兩個聚變燃料原子具有相同的量子自旋時，它們更有可能發生聚變。

現有的自旋極化方法并不能使每個原子對齊，但建模表明，不需要 100% 的自旋對齊，只需適度的自旋極化水平就可以顯著提高氚燃燒的效率，從而提高整體效率并減少氚消耗。

增加DT組合

通常情況下，用于聚變的 DT 混合物比例約為 50:50，而 PPPL 的研究人員發現，類似 ARC 的托卡馬克(類似于 PPPL 的主要聚變裝置)使用非極化的 53:47 DT 燃料產生 481MW 的聚變功率，所需的最低啟動氚庫存為 0.69 千克。

通過對一半燃料進行自旋極化并使用 60:40 DT 混合物，最低啟動氚庫存量減少至 0.08 千克，而使用 63:37 DT 混合物對燃料進行完全自旋極化則可進一步將氚庫存量減少至 0.03 千克。

根據這些發現，研究人員認為，隨著氦偏濾器泵送效率的提高，使用低氚分數和自旋極化燃料，以最小的功率損失實現約 10%-40% 的氚燃燒效率值。

他們表示，這將大大降低啟動時氚的庫存要求，并減少現場氚的數量。

“更廣泛地說，除了自旋極化燃料外，等離子體性能的提高還可用于提高氚燃燒效率。這有力地推動了自旋極化燃料和低氚分數等離子體燃燒操作的發展。”

該研究發表在《核聚變》雜志上，首次揭示了自旋極化燃料如何提高氚燃燒效率。

需要進一步研究實施所提議系統所需的要求。

目前，在美國能源部的資助下，正在進行一項獨立研究，旨在研究將自旋極化燃料注入聚變容器所需的技術。

我們還需要進一步研究極化方法以及自旋極化燃料的儲存等。