·目前的“雷鳥反應堆”能量轉化效率還很低，每輸入15瓦的電能，產生的聚變能量輸出僅有約十億分之一瓦（1x10?? W）。

自人類認識到太陽的能量源于核聚變以來，在地球上復現(xiàn)這一終極能源過程便成了幾代科學家的夢想。若能成功，我們將擁有近乎無限的清潔能源。然而，讓兩個原子核克服巨大的靜電斥力相互靠近并融合，需要極端的高溫高壓條件，其消耗的能量往往大于產生的能量。

克服這個問題的路徑之一是提高燃料密度，從而增加聚變過程中粒子碰撞融合的概率。8月20日，《自然》（Nature）雜志發(fā)表了來自加拿大英屬哥倫比亞大學柯蒂斯·貝林格特（Curtis Berlinguette）團隊的最新研究成果。他們設計出一種粒子反應裝置“雷鳥反應堆”（Thunderbird Reactor），利用電化學方法增加了燃料密度，顯著提高了氘的核聚變速率。這一發(fā)現(xiàn)雖然尚未解決能量增益問題，但其展示的原理性突破，可能為低能核反應研究乃至未來的聚變技術鋪平道路。

不列顛哥倫比亞大學（UBC）的雷鳥反應堆。圖片來自作者

核聚變，顧名思義，是兩個較輕的原子核結合成一個較重原子核的過程，其間會釋放出巨大的能量?？茖W家們主要研究氘（dāo）和氚（chuān）的聚變反應，因為它們在相對“溫和”的條件下就能發(fā)生——需要上億攝氏度的高溫，將物質變成等離子體狀態(tài)。同時，還需要強大的磁場或激光將其約束在有限空間內，并維持足夠高的密度，確保有足夠多的碰撞。

該研究沒有沿用建造更強磁場或更高溫度的傳統(tǒng)思路，而是選擇在固體材料內部創(chuàng)造極高的局部燃料密度。在“雷鳥反應堆”中，一束氘離子流首先像發(fā)射子彈一樣持續(xù)轟擊一塊金屬鈀制成的靶材。當氘離子擊中鈀靶時，一部分會與靶材中已被吸附的氘原子發(fā)生聚變，大量氘離子會“鉆”進鈀的晶格結構中并被“卡”住。

隨著時間推移，鈀靶內部的氘濃度越來越高，形成一個高密度的“燃料庫”。這使得后續(xù)射入的氘離子有更大幾率撞上先前植入的氘，從而讓聚變反應的速率不斷攀升，直至達到一個飽和的穩(wěn)定狀態(tài)。

隨后，研究人員將鈀靶作為電化學電池的一個電極。當啟動這個電池時，電化學反應會驅動溶液中更多的氘原子被“泵”入鈀靶內部，進一步將更多“燃料”硬塞進本已擁擠的鈀晶格中，使得局部的氘密度超越了僅靠離子束所能達到的極限。實驗結果顯示，當電化學裝置啟動后，氘的聚變速率在原有基礎上平均增加了15%。

這項工作表明可控的、低能量的電化學方法能夠提升核聚變效率，但距離商業(yè)聚變發(fā)電還有極遠的距離。研究團隊指出，目前的“雷鳥反應堆”能量轉化效率還很低，每輸入15瓦的電能，產生的聚變能量輸出僅有約十億分之一瓦（1x10?? W）。

“盡管如此，使用電化學方法來增加核聚變速率是一個重大成就?！痹谕诎l(fā)表《自然》的評論文章中，艾米·麥基翁-格林（Amy McKeown-Green）和珍妮弗·迪翁（Jennifer Dionne）表示，這項工作“憑借涵蓋了核物理、化學和材料科學的技術進展，作者正為利用可獲取的臺式核反應堆驅動低能核聚變的更廣泛研究鋪平道路。”

參考文獻:

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