七十多年来，聚变研究人员一直依赖一条数学规则来判断等离子体是否能在足够长的时间内保持足够高的温度和密度，从而在没有额外外部加热的情况下维持聚变。这条被称为劳森判据的方程定义了点火所需的条件。然而，它并未说明实现这些条件的最有效途径。
现在，普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的物理学家Luis Delgado-Aparicio、Masayuki Ono和Jonathan Menard开发了一个更全面版本的判据。通过引入四个影响聚变性能的额外因素，他们规划出了一条很有前景的点火路径，所需的能量可能远少于其他替代方法。
他们的研究结果发表在Physical Review Letters期刊上。
这项研究聚焦于等离子体，它通常被称为物质的第四态。当气体变得能量极高以至于其粒子带有电荷时，就会形成等离子体。在聚变反应堆中，这种极热的物质包含了研究人员希望结合的原子核，通过核聚变释放能量。
最终目标是产生燃烧等离子体，在这种状态下，聚变反应产生的热量足以维持该过程，而无需持续的外部加热。高效地达到这种状态仍然是聚变能研究中最重大的挑战之一。
科学家找到聚变点火的捷径
Delgado-Aparicio将这一发现比作在山脉中找到了一条更高效的路径。
想象一下，聚变点火的能量要求构成了一片以高耸山脉为主的地貌。目的地在山的另一边，但有几条可能的路径可以到达。
许多提出的聚变策略实际上都试图直接翻越这座山。它们首先增加等离子体的密度，然后提供达到点火所需的巨大热量。
新的计算表明，不同的顺序可能会高效得多。研究人员可以先加热等离子体，然后再增加其密度，而不是先增加密度。这种替代路径避开了最高的能量要求，同时仍能达到所需的条件。
“许多公司想要正面攀登这座山，并花费巨大的能量到达那里，”Delgado-Aparicio说。“相反，绕过山峰吧。你可以用一种聪明得多的方式到达同一个地方，而且消耗的能量少得多。”
聚变物理学中隐藏的山口
研究人员确定了这片数学地貌中一个特别重要的区域，称为Cordey鞍点（Cordey saddle）。
在地理术语中，鞍点是较高海拔之间的低洼通道。在聚变物理学中，Cordey鞍点代表了沿着仍需外部加热的等离子体与能够维持自身聚变反应的等离子体之间边界的一个相对容易到达的点。
为了评估不同的路径，科学家们使用了一个称为Q的测量值，它将聚变反应产生的功率与提供给等离子体的外部加热功率进行比较。
例如，Q值为5意味着聚变反应产生的功率是外部加热系统输送功率的五倍。
在只包含纯聚变燃料的理想化等离子体中，Cordey鞍点大约出现在Q = 5处。然而，实际的聚变系统要复杂得多。等离子体内的污染物和极强的磁场会改变这个通道的位置，从而增加到达它所需的Q值。
了解这些条件如何变化，对于确定拟议的聚变反应堆能否切实实现点火至关重要。
未来聚变反应堆更现实的路线图
这些发现可能会影响两种主要类型的磁聚变装置的设计：托卡马克和仿星器。
这两种方法都利用强大的磁场来约束等离子体，同时将其加热到聚变所需的极高温度。具有标志性环形结构的托卡马克，是目前正在研究用于未来聚变发电厂的主要技术之一。
研究机构和私营公司正在寻求几种不同的方法来利用聚变发电，并最终将电力输送到电网。确定一条高效的点火路径可以帮助工程师设计更实用的系统，同时避免代价高昂的错误。
对PPPL而言，这项工作是解决商业聚变能成为可能之前必须克服的科学技术挑战的更广泛努力的一部分，包括开发未来的聚变示范堆。
这项研究的一项重大进展在于，它将几个重要的物理过程放在一起评估，而不是像以前的许多研究那样单独考察它们。
研究人员引入了四个可能影响等离子体能否达到并维持点火的额外因素：
- 氦灰积聚：聚变反应产生氦作为副产物。随着这种乏燃料的积累，它会稀释剩余的聚变燃料并降低性能。
- 等离子体污染：轻重杂质可以从反应堆内壁材料进入等离子体，干扰聚变条件。
- 同步辐射：穿过磁场的电子会发出辐射，将能量带出等离子体。
- 热损失：能量不断从等离子体中逃逸，并且随着温度升高，这些损失可能会变得更大。
将这些效应考虑在内，可以更真实地描绘未来反应堆必须达到的条件。
“当你忽略这些效应时，你会说设计会运行良好，”Ono说。“当你把它们加进去时，情况就变了，而且变得相当重要。”
据Ono介绍，目标是建立一个更可靠、适用性更广的模型，供科学家在建造开始前评估聚变反应堆设计。
将劳森判据视为一个单一不变的阈值，会忽略那些可能大幅改变点火要求的物理过程。在设计早期纳入这些效应，可以防止以后出现代价高昂的问题。
“聚变实验耗资巨大，你绝不希望犯下那些本可以事先发现的错误，”他说。
微量的钨可能使聚变变得困难得多
一个特别引人注目的发现与钨有关，这是一种极耐热的金属，被选作十几台下一代聚变装置的内壁材料。
钨之所以具有吸引力，是因为聚变反应堆必须承受等离子体温度高于太阳中心温度的条件。然而，即使有极少量的钨进入等离子体，这种材料也会带来重大挑战。
该团队的计算表明，浓度仅为万分之一的钨污染，就可使实现聚变点火所需的压力大约翻一番。
这是由极少量物质引起的巨大增幅。
这些计算最初是在二维下进行的。当研究人员将分析扩展到三维时，他们发现点火所需的压力可能会超过等离子体保持稳定的极限。
这表明，看似微不足道的污染可能会对某些聚变反应堆设计的可行性产生重大后果。
能量损失如何帮助稳定聚变
令人惊讶的是，一些使点火变得更加困难的过程，也可能有助于聚变反应堆更安全、更稳定地运行。
科学家早就研究了热“失控”不稳定性的可能性。当聚变反应产生的热量提高了反应速率，从而产生更多热量并可能形成自我强化的循环时，就会发生这种情况。
研究人员发现，等离子体内部的能量损失可以自然地抵消这种效应。
尽管这些损失增加了达到点火的难度，但它们也提供了一种平衡作用，可以使燃烧等离子体在不进行不断调整的情况下保持稳定的运行状态。
这种平衡对于未来的反应堆设计可能很有价值。
（与裂变核电站不同，聚变系统一次只持有几秒钟的燃料，因此失去控制意味着等离子体冷却并且燃烧停止，而不会发生更糟糕的情况。）
液态锂和先进燃料可以提高聚变效率
该研究还确定了一些可能有助于克服计算所揭示的某些障碍的技术。
一种可能性是用液态锂涂覆聚变反应堆内部，这是PPPL研究人员多年来一直在研究的技术。
这些涂层可以帮助防止钨进入等离子体，同时减少热损失，从而更容易维持聚变所需的极端条件。
另一种很有前景的方法是使用自旋极化燃料。这涉及在聚变发生前准备好原子核，使其自旋对齐，从而可以提高聚变反应速率。
这些策略结合在一起，可以提高未来反应堆的性能，并使点火路径更容易实现。
新聚变策略的下一步是什么？
尽管研究结果令人鼓舞，但所提出的“先加热”方法尚未在实验中得到验证。
这项研究是理论性的，依赖于数学计算而不是直接测量。现有的聚变实验尚未达到与Cordey鞍点相关的温度，这阻碍了科学家在这些条件下测试预测的路径。
PPPL团队计划通过数字实验进一步研究该方法，利用基于计算机的模拟来探索在增加密度之前加热等离子体是否能带来预期的优势。
如果未来的研究证实了这些计算，这些发现可能为设计更高效的聚变系统提供重要基础，并帮助研究人员在反应堆建设方面做出更好的决策。
“虽然还需要更多的研究，但我们对这些结果感到兴奋，它们为该领域的未来研究指明了JianCe的方向，”Menard说。
这项工作得到了美国能源部科学办公室聚变能源科学办公室的支持，合同号为DE-AC02-09CH11466。额外支持来自2015年聚变能源科学早期职业奖、2018年诊断创新与发展奖，以及2021年和2025年长脉冲托卡马克研究项目。