一家美國核聚變初創公司聲稱，一項新研究證實其技術可以產生穩定的熱等離子體——這是實現可擴展能源增益的重要一步。

研究人員測量了 Zap Energy 的聚變 Z 箍縮實驗 (FuZE) 裝置的中子能量各向同性，顯示出均勻的中子發射，這是性能良好的等離子體的關鍵指標。

研究人員表示，這些發現為 Zap 的剪切流穩定 Z 型收縮方法有望實現更高的聚變產量提供了迄今為止最有力的證明。這一突破增強了推進 FuZE-Q 設備的信心，使 Zap 更接近實用聚變能。

“從本質上講，這一測量表明等離子體處于熱力學平衡狀態。這意味著我們可以將等離子體的體積擴大一倍，并期望存在相同的平衡狀態，”Zap 首席科學家兼聯合創始人 Uri Shumlak 在一篇博文中表示。

2024 年 10 月，總部位于西雅圖的 Zap推出了Century，這是其首個完全集成的原型，展示了聚變發電廠的關鍵技術。

確認融合穩定性

Zap 的聚變過程依賴于熱聚變，即氫原子核在極熱和高壓下聚變成氦，釋放出攜帶 80% 反應能量的高能中子。

產生的中子越多，能量潛力就越大。然而，并非所有聚變反應都是理想的。束流靶聚變發生在快速移動的氫核與靜止的氫核碰撞時，這表明等離子體不穩定，無法有效地擴大凈能量產量。

熱聚變產生具有各向同性能量(在所有方向上均勻)的中子，而束靶聚變則產生各向異性的發射，其中中子能量隨方向而變化。

由于熱物理或光束目標物理的作用，聚變可以發射中子。

測量中子各向同性是確定 Zap FuZE 裝置中聚變中真正熱能含量的直接方法。如果中子發射主要是各向異性的，則表明該系統無法擴展凈能量增益。

為了驗證這一點，Zap 科學家利用放置在 FuZE 裝置周圍的中子探測器進行了一系列實驗。他們在相同條件下分析了 433 次等離子發射，發現中子發射幾乎完全各向同性。

研究人員表示，這一發現證實了Zap的聚變過程仍然穩定且可擴展，增強了人們對其實現實用聚變能方法的信心。

可擴展融合進展

中子各向同性不僅是物理學的一個關鍵基準，而且對 Zap 的聚變方法也具有歷史意義。Z 箍縮是最古老的聚變概念之一，可追溯到 20 世紀 50 年代英國的零能熱核組件 (ZETA) 實驗。

科學家最初認為他們已經通過使用磁場壓縮等離子體實現了聚變。然而，他們的成功只是曇花一現，因為觀察到的聚變主要來自磁不穩定性引起的光束-目標相互作用。這意味著 ZETA 永遠無法實現凈能量增益，讓預期的突破變成了重大失望。

這個問題長期困擾著基于夾點的聚變方法，即使在今天，所有聚變技術都有可能將束靶中子誤認為是真正的熱聚變。例如，密集等離子體聚焦 (DPF) 裝置雖然能有效產生中子，但由于其依賴束靶反應，因此在很大程度上被認為是可行的聚變電源。

在2018 年首次測量熱聚變后， Zap現已以更高的靈敏度和更高的能量證實了其發現。這些最新結果證實，剪切流可以延遲之前注定 Z 夾點失敗的不穩定性，從而使可擴展的無磁聚變成為有希望的現實。

Shumlak 在一篇博客文章中表示： “這篇論文代表了一項重大的物理學思考。這就是我們投入如此多精力進行這些精確測量的原因。”

Zap 的團隊目前正在 FuZE-Q 設備上測試更高能量的中子各向同性，初步結果令人鼓舞。正在進行的測量將確保光束目標聚變不會影響產量。

研究還發現，每次發射結束時中子各向同性都會下降，這可能表明聚變停止前存在收縮不穩定性。該公司表示，了解這一階段有助于防止不穩定性，延長等離子體持續時間，提高性能，使 Zap 更接近持續、高產聚變能。