聚变能研究获三重进展：极化燃料、先进诊断与AI材料设计

三个研究团队报告了与聚变相关的研究进展，包括正在进行的自旋极化聚变研究、一种即将部署到国家点火设施（NIF）的新型等离子体诊断工具，以及一项可能影响惯性约束聚变燃料靶丸设计的材料科学研究。

少量燃料，更大火焰：美国能源部聚变能源科学项目已向一项以 DIII-D 托卡马克为核心的“自旋极化聚变”（SPF）项目授予第二轮资助。

SPF 的基础源于这样一个想法：当聚变燃料极性化（即同位素自旋方向与磁场平行排列）时，发生碰撞并引致聚变的可能性要高于未极化的燃料。理论上，这种方法有望将系统的能量输出提升 70% 至 80%。

“最终目标是能够用最少的材料获取能量，”Thomas Jefferson 国家加速器设施的物理学家向冬伟（Xiangdong Wei，音译）说，他正协助领导这项研究。“通过正确的排列，少量的燃料可以产生更大的'火焰'，你可以利用这种能量进行下一轮的聚变反应。”

这一想法自 20 世纪 80 年代就已存在，但开发一个能够充分极化燃料并以使其足以在足够长的时间内保持极化状态从而增加聚变截面、提高给定密度下单位时间反应数的系统，在技术上一直很复杂。

该团队已经设计出了能够极化、储存和向 DIII-D 托卡马克注入氘和氦-3 的设备。现在他们正开始第二阶段工作，目标是制造这些设备的原型并完成建造。

窥视等离子体：正如近期发表在《科学仪器评论》（Review of Scientific Instruments）上的文章所述，研究人员开发了一种多通道 X 射线成像仪，能以大视场和高分辨率测量聚变等离子体温度。

这种被称为环形 X 射线成像仪的装置，通过在探测器中的反射镜上使用具有不同带宽的非周期性多层反射涂层来工作。这些纳米级涂层经过优化，可捕获中心能量分别在 8.7、13 和 17.5 keV 的三个不同的 X 射线能带，用于确定等离子体温度。

根据美国物理研究所（American Institute of Physics）的消息，该设备是第一种能够在单一位置测量所有三个能带的诊断工具。它将被送往 NIF，用于惯性约束聚变实验。

AI 设计抵消微小材料缺陷的影响：惯性约束聚变可能受到 Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性的影响，即在燃料填充管靶丸受到冲击时，在微小材料缺陷点处会产生不稳定的射流。

正如一篇发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的论文所描述，研究人员使用了一种机器学习设计优化算法来确定在明胶（gelatine）中添加微观空腔的位置，这些空腔在冲击波到达通常会产生射流的界面之前耗散了其能量。

这一想法需要扩展到球形填充管的设计上才能应用于聚变，但该概念也可用于一系列其他材料研究应用。

“挑战在于，尽管这些设计在模拟中看起来很有前景，但往往极难制造和进行实验测试，”European XFEL 的仪器科学家、该研究的作者之一 Jergus Strucka 说。“我们的工作是首批证明此类 AI 优化结构实际上可以建造并在真实实验中接受研究的示范之一。”