电化学加载增强金属靶材中氘核聚变速率：Thunderbird反应堆的突破性研究

时间：2025年8月22日

来源：Nature

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这篇研究报道了一种名为Thunderbird的台式聚变反应堆，通过电化学方法将氘（D）加载到钯（Pd）金属晶格中，结合等离子体浸没离子注入（PIII）技术，使氘-氘（D-D）聚变速率提升15(2)%。该研究首次在电子伏特（eV）能量尺度上通过电化学调控，实现了兆电子伏特（MeV）能量尺度的核反应增强，为聚变能源研究提供了新思路。

摘要

核聚变研究长期以来致力于实现能量净增益，而提高燃料密度是增加粒子碰撞概率的关键。本研究通过电化学方法将氘（D）加载到钯（Pd）金属晶格中，结合等离子体浸没离子注入（PIII）技术，开发了名为Thunderbird的台式聚变反应堆。实验表明，电化学加载可使D-D聚变速率提升15(2)%，首次证明了电子伏特（eV）能量尺度的电化学过程能够影响兆电子伏特（MeV）能量尺度的核反应。

主体内容

Lawson准则与燃料密度

Lawson准则指出，聚变反应速率受燃料密度、时间和温度共同影响。传统磁约束（MCF）和惯性约束（ICF）聚变分别能达到10²⁰ m⁻³和10³¹ m⁻³的燃料密度，但后者仅维持数百皮秒。相比之下，固态金属晶格可轻松实现10²⁸ m⁻³的氘密度，为聚变研究提供了新途径。

Thunderbird反应堆设计

反应堆由等离子体推进器、真空室和电化学池三部分组成。等离子体推进器通过微波电离D₂气体生成D⁺，经−30 kV鞘电压加速后植入钯靶。电化学池则通过还原D₂O将D原子嵌入钯晶格，形成PdD_0.7结构（XRD验证）。钯靶同时作为PIII靶材、电化学阴极和真空/电解液隔离层，实现多功能集成。

核聚变验证与增强效应

中子探测器（脉冲形状甄别技术）确认了D-D聚变的特征中子信号（2.45 MeV）。纯PIII加载时，中子产率在30分钟内从背景值0.21(9) n s⁻¹升至稳定值135–140 n s⁻¹。开启电化学加载后，产率进一步增加15(2)%，而使用H₂O替代D₂O时产率下降88.3(3)%，证实电化学D加载的关键作用。