低频激光显著增强核聚变概率

由深圳技术大学助理教授齐锦涛领导的研究团队，与国防科技大学周昭彦教授和中国工程物理研究院研究生院王旭教授合作，分析了外部激光场如何影响核聚变动力学。在他们的框架中，激光并非取代热加热，而是作为一种辅助机制，修改原子核的相对运动，并在给定温度条件下增加量子隧穿通过库仑势垒的概率。

该研究比较了高频激光（如X射线自由电子激光）与低频激光（如近红外固态系统）在广泛参数范围内的影响。尽管单个X射线光子携带更高能量，但计算表明，在可比条件下，低频激光能更有效地增强聚变，因为它们能够驱动多光子过程，涉及核碰撞期间吸收和发射的大量光子。

这种多光子相互作用拓宽了反应原子核的有效碰撞能量分布。激光场的存在产生了更宽的分布，在更高有效能量处权重增加，而不是仅由热环境设定的狭窄碰撞能量范围。这种重新分布可以显著提高通过库仑势垒的隧穿概率，即使原子核的初始动能较低。

以氘氚聚变反应为基准，作者量化了强低频激光场如何改变低能量下的反应概率。对于1 keV的碰撞，在无激光场时聚变概率通常极小，而光子能量为1.55 eV、强度为10^20 W/cm²的低频激光可将计算得到的聚变概率提高三个数量级。当强度升至5×10^21 W/cm²时，相对于无激光场情况，增强达到九个数量级。

实际上，这意味着在强低频激光辅助下，1 keV处的有效聚变截面可以接近原本需要约10 keV碰撞能量（无激光场）才能达到的截面值。因此，分析表明了一种可能途径：通过调控碰撞原子核的能量分布，而不是仅仅依赖更高的热温度，来缩小低温与高温聚变条件之间的差距。

该工作将激光辅助聚变行为组织成一个统一的理论框架，涵盖不同激光频率和强度。在此框架内，强激光场原则上可以作为工具，放松与受控聚变相关的某些严格温度要求，同时仍在常规聚变燃料循环（如氘氚）内运行。

当前模型集中于一个理想化系统：两个原子核在外部激光场中相互作用，这种简化允许对基本机制进行详细探索。作者强调，现实聚变等离子体涉及多体效应、复杂的激光-等离子体相互作用以及各种能量耗散通道，在得出关于实验实施的明确结论之前必须纳入这些因素。

未来工作将把理论扩展到更现实的等离子体环境，其中集体行为、屏蔽效应和能量传输可能改变或放大预测的增强效果。研究人员还指出，全球高强度激光设施的日益普及为完善理论工具提供了动力，这些工具将理想化模型与实际实验条件联系起来。

通过阐明强激光场如何重塑碰撞能量分布和隧穿概率，该研究为新兴的激光核物理领域增添了内容。作者认为，他们的结果为设计未来实验提供了理论指导，这些实验将探索激光辅助聚变，并评估此类方案是否能为实现实用聚变能源的低温途径做出贡献。

题为《激光辅助核聚变理论》的完整论文发表在《核科学与技术》期刊上。文章可通过DOI链接10.1007/s41365-025-01879-x访问。

研究报告：激光辅助核聚变理论

摘要