作者| 吳棟 上海交通大學

以氘氚為燃料的可控聚變研究近期取得了重大進展[1-7]。美國勞倫斯-利弗莫爾實驗室的國家點火裝置(即NIF裝置)的激光核聚變實驗相繼實現了燃燒等離子體、點火以及凈能量增益(輸出聚變能量大于輸入激光能量);歐洲聯合核聚變實驗裝置(即JET裝置)的氘氚核聚變實驗也產生了59兆焦耳的聚變能量輸出。盡管如此，在聚變能源最終成為全球能源問題的重要解決方案之前，仍然有數十年的窗口期。

氘氚聚變會釋放大量高能中子，將不可避免地帶來裝置損傷和材料活化等問題，已成為制約電站級反應堆運行維護的重要因素。此外，還有聚變燃料的供應問題，特別是氘氚核聚變反應中的氚。作為一種國家嚴格管控戰略物資，當下氚的存量很少。雖然可利用反應堆中的聚變中子與鋰的核反應過程來循環供氚，但距離這一技術的成熟應用仍有很長的路要走。因此，長期以來國際上一直活躍著一個研究群體，他們致力于研究新的核聚變反應，氫-硼燃料核聚變就是其中的重要候選[8-10]。

表1 常見的聚變反應

圖1 質子在硼靶內部發生聚變反應的示意圖

氫-硼核聚變的優點

氫-硼核反應過程極少涉及放射性。當然，反應過程也存在一些次級反應會產生中子，也可能會發生誘導放射性，但其反應率很低，這對于反應堆來講完全可以接受[7]。硼在自然界儲量很大，且私營企業和高校等研究機構均可開放獲取。由于以上原因，氫-硼燃料核反應被認為是聚變能源領域的圣杯。此外，宇宙中硼的豐度仍是一個未解決的問題，對這些反應的研究也將有助于解決年輕的主序F和G星中輕元素Li、Be和B的低豐度之謎[11-16]。最后，氫硼核反應還提供了一種治療癌癥的新方法[17]。

氫-硼核聚變面臨的主要挑戰

基于氫-硼燃料的核聚變發電站需滿足的物理條件要比氘-氚聚變的要苛刻得多。一方面，與氘氚反應相比，氫-硼反應想要達到其最大的核反應截面需要更高的質心動能;另一方面，由于氫-硼反應的軔致輻射造成的輻射損失比氘-氚反應高得多(軔致輻射能量損失與核電荷數的平方成正比)，在平衡態下，氫-硼核聚變的軔致輻射損失一般會高于核反應釋放的能量，最終導致幾乎沒有凈能量輸出[18]。即使利用最新的氫-硼聚變反應截面數據(Sikora在2016年發表了新的截面數據[19]，相比Nevins的反應截面有較大幅度提升[20])，氫-硼熱核反應也只在很狹窄的能量區間才會有凈能量輸出[21]。

圖2 氫-硼核反應截面(左)，氫-硼聚變功率與韌致輻射功率在不同截面數據下與離子溫度的關系(右)

利用非熱平衡狀態實現氫-硼聚變凈能量增益

既然在熱平衡態下實現氫-硼聚變的條件過于苛刻，那么我們就應該考慮如何在非熱平衡狀態下實現氫-硼聚變凈能量增益。一般而言，有兩種方法去達到想要的結果，一種方法是減少電子韌致輻射的損失，這可以通過維持一個特定的電子分布來實現[22];另一種方法是提高聚變輸出功率，這可以通過維持特定的離子速度分布狀態來實現[22-27]。其中維持特定的離子分布的方法可以分為時間穩態維持和非穩態維持，前者是長時間維持離子的分布函數，如在任意位形中長時間維持某一種分布的離子[22];后者是在約為激光脈沖持續時間內維持離子分布函數，如利用強激光打靶產生beam-like的質子分布(質子束)[23-27]，并轟擊具有麥氏分布的硼等離子體靶，以產生氫-硼聚變反應。

非熱平衡聚變反應的“緊箍咒”

Todd H. Rider從時間穩態維持的非熱平衡態出發，研究了實現無中子聚變反應的可能性[22]。在Rider所考慮的情況下，涉及到的離子分布均為麥克斯韋分布，電子的分布為非麥氏分布。經過分析，Rider得出維持電子的非麥氏分布需要對系統做一個額外的功，他將對應的功率定義為再循環功率。他從福克-普朗克方程出發，推導了核反應釋放功率、輻射損失功率以及維持的電子非麥氏分布所需的再循環功率，對穩定維持非熱平衡態下無中子聚變的可實現性進行了分析。結果表明，不管電子的分布函數是beam-like分布，還是低能電子被耗散的近麥氏分布(有利于降低離子-電子碰撞頻率，從而降低韌致輻射損失、提高核反應釋放功率)，系統都不能穩定地維持下去。

如果Rider的解析分析都是正確可靠的，這就意味著通過長時間穩定地維持電子的非熱平衡態來提高氫-硼聚變反應的能量增益是極其困難的。因此，如若希望通過利用類似托克馬克的磁約束聚變裝置來實現氫-硼聚變，如何對Rider的解析分析結果做出突破是非常值得研究的。

表2 低能電子被耗散的近麥氏分布下，不同反應燃料在理想運行狀態下系統聚變功率，韌致輻射功率以及再循環功率的比較

氫-硼核聚變研究的新機遇

幸運的是，利用強激光產生的等離子體是非穩態的非熱平衡的，這或許有利于提高聚變產額[23-27]。隨著高強度激光技術的進步，依靠拍瓦級激光器在“靶內幾何構型”或“束靶幾何構型”中所產生的非穩態條件下進行氫-硼聚變反應的想法逐漸變得更具吸引力。在這種情況下強激光會加速出具有近乎beam-like分布的質子束，進而靠質子束去轟擊具有麥氏分布的靶離子，以產生氫-硼核聚變。由于此時靶內的電子分布也為麥氏分布且電子具有較低的溫度，因此在這種構型下韌致輻射較低。

基于這一想法，一些研究團隊[10, 22-26]對氫-硼聚變反應進行了一系列的實驗，并測量了α粒子的產額。α粒子產量已經從2005年的約10⁵sr^-1[23] 增加到2020年的約10¹⁰sr^-1[27]。在激光驅動的氫-硼聚變方案中，澳大利亞公司“HB11”所設計的方案是比較有趣的。根據Heinrich Hora的團隊發表在《激光和粒子束》上的研究結果[28]，可以這樣描述該公司的方案：設計一個很大的中空金屬球殼，在球殼中間放置氫-硼核燃料芯塊，在兩個激光器對應的不同側面開孔，如圖3(左)所示。第一個激光器(Laser1)用來產生瞬間的高強度磁場約束等離子體[29]，第二個激光器(Laser2)用來觸發聚變鏈式反應(雪崩過程)[30]。聚變反應產生的阿爾法粒子將被收集起來產生電流，同時產生的電流幾乎可以被直接引導到現有電網中，而無需額外的熱交換器或蒸汽輪機發電機。

圖3 HB11公司的氫-硼核聚變裝置示意圖

如圖3(右)所示，激光器Laser2表示超強超短的皮秒激光。激光器2輻照在紫色圓柱所表示的氫-硼燃料靶上并將質子加速到極高的速度(約10000 km/s)以與靶內硼原子發生氫-硼聚變反應，而鏈式反應則會大大提高核反應的反應速率。所謂的鏈式反應是邁向最終目標(核反應釋放的能量比投入的總能量多)的重要一步(作者注：由于氫-硼聚變只產生三個α粒子，每個α都有幾率與氫核發生大角度散射并產生高能氫離子，高能氫離子再與硼核發生聚變再產生三個α粒子，該過程就是鏈式聚變反應。值得注意的是，α粒子還會與電子或者氫離子發生小角度散射，這種散射不會產生高能氫離子。在何種條件下可以高效率誘發鏈式聚變反應是一個值得研究的學術課題)。激光器Laser1則是為了在黃色環狀導體上產生很大的電流[29]。強大的電流會使氫-硼核燃料的附近產生持續時間為納秒量級的高達1萬特斯拉的磁場，這將會使被加速過后的粒子以及氫-硼核反應產生的阿爾法粒子等被約束在磁場中，增加核反應的反應時間，進而發生更多次的核反應。