根据一项新的研究，一种性能增强的不同燃料混合可以克服一些主要障碍，使核聚变成为一种更实用的能源。

　　拟议中的方法仍将使用氘和氚，这两种燃料被普遍认为是核聚变能源生产中最有前途的一对燃料。然而，燃料的量子特性将使用一种称为自旋极化的现有过程来调整峰值效率。除了使一半的燃料发生自旋极化外，氘的比例将从通常的大约60%或更多的比例增加。

　　美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家创建的模型表明，这种方法可以在不牺牲核聚变功率的情况下更有效地燃烧氚。这可以大大减少启动和维持核聚变反应所需的氚量，从而产生更紧凑、更经济的核聚变系统。

　　该实验室的研究物理学家、该研究论文的第一作者杰森·帕里西（Jason Parisi）说：“核聚变真的非常非常难，大自然不会给你很多好处。”“所以，改善幅度之大令人惊讶。”

　　这篇发表在《核聚变》杂志上的论文表明，这种方法可以将氚的燃烧效率提高10倍。这项研究还强调了PPPL在聚变创新前沿的作用，特别是当它涉及到一个系统时，比如帕里西的研究中所研究的系统，在这个系统中，气体被过热加热，产生一个被磁场限制的等离子体，形状类似于一个有核的苹果。该实验室的主要聚变装置，国家球面环面实验升级（NSTX-U），与研究人员在测试他们的方法时所考虑的形状相似。

　　“这是研究人员第一次研究自旋极化燃料如何提高氚的燃烧效率，”工作人员研究物理学家和合著者雅各布·施瓦茨说。

　　PPPL首席研究物理学家、该论文的合著者艾哈迈德·迪亚洛（Ahmed Diallo）将氚的燃烧效率比作煤气炉的效率。迪亚洛说：“当煤气从炉子里出来时，你想把所有的煤气都烧掉。”“在核聚变装置中，氚通常没有完全燃烧，而且很难获得。因此，我们希望提高氚的燃烧效率。”

　　PPPL团队咨询了聚变社区和参与自旋极化的更广泛的社区，作为他们工作的一部分，以寻找提高氚燃烧效率的方法。“核聚变是科学和工程中最多学科的领域之一。这需要在很多方面取得进展，但有时当你把不同学科的研究结合起来并把它们放在一起时，会有令人惊讶的结果。”

　　量子自旋与棒球上的物理自旋非常不同。例如，一个好的投手可以用几种不同的旋转投球。有一系列的可能性。然而，粒子上的量子自旋只有几个离散的选择——例如，向上和向下。

　　当两个聚变燃料原子具有相同的量子自旋时，它们更容易聚变。帕里西说：“通过扩大核聚变的横截面，同样数量的燃料可以产生更多的能量。”

　　虽然现有的自旋极化方法不能对齐每个原子，但PPPL模型中显示的增益不需要100%的自旋对齐。事实上，该研究表明，适度的自旋极化水平可以大大提高氚燃烧的效率，提高整体效率并减少氚的消耗。

　　由于所需的氚更少，核聚变发电厂的整体规模可以缩小，从而使其更容易获得许可、选址和建设。总的来说，这将降低核聚变系统的运行成本。

　　氚也具有放射性，虽然与核裂变反应堆的乏燃料相比，这种辐射相对较短，但减少所需的量具有安全效益，因为它降低了氚泄漏或污染的风险。

　　帕里西说：“流经系统的氚越少，进入组件的氚就越少。”氚所需的储存和处理设施也可以做得更小、更高效。这使得核许可之类的事情变得更容易。“人们认为场地边界的大小在某种程度上与你有多少氚成正比。所以，如果你的氚含量少得多，你的工厂就会更小，更快地获得监管机构的批准，成本也会更低。”

　　美国能源部的科学办公室已经资助了将自旋极化燃料注入聚变容器所需的一些技术的单独研究。需要进一步的工作来调查实施拟议制度所需的事项，但尚未得到充分探讨。施瓦茨说：“是否有可能将高强度的聚变等离子体与这些来自等离子体的过量燃料和灰烬的特定流动结合起来，还需要确定。”

　　Diallo说，也存在与极化方法相关的潜在问题，但这些方法创造了机会。“其中一个挑战是展示大量生产自旋极化燃料并将其储存的技术。这将开启一个全新的技术领域。”