美国公司的核聚变技术在没有磁场的情况下达到稳定等离子体

一家美国核聚变初创公司声称，一项新研究证实其技术可以产生稳定的热等离子体——这是实现可扩展能源增益的重要一步。

研究人员测量了 Zap Energy 的聚变 Z 箍缩实验 (FuZE) 装置的中子能量各向同性，显示出均匀的中子发射，这是性能良好的等离子体的关键指标。

研究人员表示，这些发现为 Zap 的剪切流稳定 Z 型收缩方法有望实现更高的聚变产量提供了迄今为止最有力的证明。这一突破增强了推进 FuZE-Q 设备的信心，使 Zap 更接近实用聚变能。

“从本质上讲，这一测量表明等离子体处于热力学平衡状态。这意味着我们可以将等离子体的体积扩大一倍，并期望存在相同的平衡状态，”Zap 首席科学家兼联合创始人 Uri Shumlak 在一篇博文中表示。

2024 年 10 月，总部位于西雅图的 Zap推出了Century，这是其首个完全集成的原型，展示了聚变发电厂的关键技术。

确认融合稳定性

Zap 的聚变过程依赖于热聚变，即氢原子核在极热和高压下聚变成氦，释放出携带 80% 反应能量的高能中子。

产生的中子越多，能量潜力就越大。然而，并非所有聚变反应都是理想的。束流靶聚变发生在快速移动的氢核与静止的氢核碰撞时，这表明等离子体不稳定，无法有效地扩大净能量产量。

热聚变产生具有各向同性能量(在所有方向上均匀)的中子，而束靶聚变则产生各向异性的发射，其中中子能量随方向而变化。

由于热物理或光束目标物理的作用，聚变可以发射中子。

测量中子各向同性是确定 Zap FuZE 装置中聚变中真正热能含量的直接方法。如果中子发射主要是各向异性的，则表明该系统无法扩展净能量增益。

为了验证这一点，Zap 科学家利用放置在 FuZE 装置周围的中子探测器进行了一系列实验。他们在相同条件下分析了 433 次等离子发射，发现中子发射几乎完全各向同性。

研究人员表示，这一发现证实了Zap的聚变过程仍然稳定且可扩展，增强了人们对其实现实用聚变能方法的信心。

可扩展融合进展

中子各向同性不仅是物理学的一个关键基准，而且对 Zap 的聚变方法也具有历史意义。Z 箍缩是最古老的聚变概念之一，可追溯到 20 世纪 50 年代英国的零能热核组件 (ZETA) 实验。

科学家最初认为他们已经通过使用磁场压缩等离子体实现了聚变。然而，他们的成功只是昙花一现，因为观察到的聚变主要来自磁不稳定性引起的光束-目标相互作用。这意味着 ZETA 永远无法实现净能量增益，让预期的突破变成了重大失望。

这个问题长期困扰着基于夹点的聚变方法，即使在今天，所有聚变技术都有可能将束靶中子误认为是真正的热聚变。例如，密集等离子体聚焦 (DPF) 装置虽然能有效产生中子，但由于其依赖束靶反应，因此在很大程度上被认为是可行的聚变电源。

在2018 年首次测量热聚变后， Zap现已以更高的灵敏度和更高的能量证实了其发现。这些最新结果证实，剪切流可以延迟之前注定 Z 夹点失败的不稳定性，从而使可扩展的无磁聚变成为有希望的现实。

Shumlak 在一篇博客文章中表示： “这篇论文代表了一项重大的物理学思考。这就是我们投入如此多精力进行这些精确测量的原因。”

Zap 的团队目前正在 FuZE-Q 设备上测试更高能量的中子各向同性，初步结果令人鼓舞。正在进行的测量将确保光束目标聚变不会影响产量。

研究还发现，每次发射结束时中子各向同性都会下降，这可能表明聚变停止前存在收缩不稳定性。该公司表示，了解这一阶段有助于防止不稳定性，延长等离子体持续时间，提高性能，使 Zap 更接近持续、高产聚变能。