《自然》：加拿大科学家用"海绵技术"实现微型核聚变突破

抖音推荐 2025年08月24日 21:59 1 admin

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250822073812.htm

不列颠哥伦比亚大学研究团队在《自然》杂志发表的最新研究显示，他们成功开发出一种室温桌面核聚变装置，通过将氘燃料像海绵吸水一样装载到钯金属中，实现了15%的聚变反应速率提升。这项突破性发现为核聚变研究提供了全新的技术路径，有望将这一清洁能源技术从大型国家实验室的巨型设备中解放出来，转向更加灵活和经济的实验平台。

该团队开发的"雷鸟反应堆"采用了完全不同于传统磁约束聚变的技术方案。传统聚变反应堆需要在极端高温高压条件下操作，将等离子体加热到数亿摄氏度，而这套桌面装置在室温下运行，仅使用1伏特电压就能达到相当于800个大气压的燃料装载效果。这种技术对比凸显了电化学聚变方法在操作便利性和成本控制方面的巨大优势。

双重装载机制的创新设计

雷鸟反应堆是由不列颠哥伦比亚大学的一个跨学科团队建造的定制台式粒子加速器和电化学反应器。图片来源：不列颠哥伦比亚大学，Berlinguette 实验室。

雷鸟反应堆的核心创新在于其独特的双重燃料装载系统。装置由三个主要组件构成：等离子推进器、真空室和电化学电池。研究团队在钯金属靶材的一侧使用等离子体浸没离子注入技术装载氘燃料，同时在另一侧通过电化学方法进一步增加燃料密度。

项目负责人、不列颠哥伦比亚大学杰出学者柯蒂斯·柏林盖特教授解释了这一设计理念："目标是增加燃料密度和氘-氘碰撞的概率，从而发生聚变事件。利用电化学方法，我们将更多的氘注入金属中——就像把燃料挤进海绵一样。"

这种"海绵式"装载机制的物理原理在于钯金属的特殊晶体结构。钯原子排列形成的晶格空隙能够容纳大量氢原子或氘原子，当电化学过程驱动氘原子进入这些空隙时，局部燃料浓度显著提高，增加了氘核之间发生聚变反应的概率。

实验结果显示，与单独使用等离子场装载相比，双重装载机制使氘-氘聚变反应速率平均提升15%。虽然这一提升幅度看似有限，但考虑到装置的简单性和可复制性，这一成果具有重要的科学价值和技术示范意义。

历史争议与科学验证

这项研究的背景涉及核聚变研究史上最具争议的章节之一。1989年，两位科学家声称在室温下通过电解重水实现了核聚变，引发了"冷聚变"的轰动性争议。然而，全球众多实验室未能重现这一结果，冷聚变研究随即被主流科学界边缘化。

柏林盖特教授的研究团队正是在这一历史背景下开始工作的。2015年，谷歌公司召集并资助了一个多机构研究小组，旨在以严格的科学方法重新评估冷聚变现象。这个"同行小组"经过四年深入研究，于2019年在《自然》杂志发表了题为《重访冷聚变的冷案例》的综合研究报告。

该报告得出的结论是：没有发现任何证据支持1989年的冷聚变声称，但研究过程中发现了多个值得进一步探索的科学线索。正是基于这些线索，柏林盖特团队在Thistledown基金会的支持下继续深入研究，最终取得了当前的突破。

关键的区别在于检测方法。1989年的实验主要依赖热量测量，而新研究采用了更加严格的核物理检测手段，直接测量中子等核聚变的硬核信号。这种方法论的改进确保了结果的科学可信度，避免了早期研究中可能存在的测量误差和解释偏差。

技术路径的战略意义

尽管雷鸟反应堆目前消耗的能量仍然大于其产生的能量，无法实现净能量增益，但这项研究的价值在于为核聚变技术开辟了全新的发展方向。传统的磁约束聚变和惯性约束聚变都需要巨额投资和复杂的大型设施，而电化学聚变方法的相对简单性为更多研究机构参与聚变研究创造了条件。

柏林盖特教授强调："我们希望这项工作能帮助核聚变科学走出大型国家实验室，走向普通实验室。我们的方法将核聚变、材料科学和电化学结合在一起，创建一个可以系统地调整燃料装载方法和目标材料的平台。"

这一技术路径的战略价值在于其可扩展性和可调节性。研究人员可以尝试不同的金属基体、各种燃料装载方法以及多样化的反应条件组合。这种灵活性为优化聚变反应提供了广阔的参数空间，可能发现传统大型聚变装置难以探索的新现象。

从全球聚变研究格局来看，各国政府和私人投资者正在向ITER项目、国家点火装置等大型聚变设施投入数百亿美元。虽然这些项目代表了聚变技术的前沿水平，但其高昂的成本和复杂性限制了参与机构的数量。桌面聚变装置的出现为聚变研究的民主化提供了可能，让更多科研团队能够参与到这一清洁能源技术的开发中来。

未来发展前景与挑战

从技术发展的角度看，电化学聚变方法面临的主要挑战是如何大幅提高能量输出效率。15%的反应速率提升虽然在科学上具有重要意义，但距离商业化应用还有巨大差距。未来的研究需要在多个方向同时推进：优化金属基体材料、改进燃料装载技术、提高反应室设计效率以及开发更精确的过程控制方法。

材料科学的进展可能为这一领域提供重要突破。新型合金和纳米结构材料可能提供比钯更优异的氘储存和聚变催化性能。同时，电化学工程技术的发展也为提高燃料装载效率和精确控制反应条件创造了新的可能性。

从更广阔的视角来看，桌面聚变技术的发展可能催生全新的聚变应用模式。与追求大规模电力生产的传统聚变反应堆不同，小型聚变装置可能在特定应用场景中找到自己的定位，如医用同位素生产、深空探测器动力源或偏远地区的分布式能源系统。

柏林盖特教授将这项研究定位为"一个起点——一个邀请业界本着开放和严谨的探究精神进行迭代、改进和发展的基础"。这种开放合作的理念可能加速该领域的技术进步，让全球更多研究者能够基于这一平台开展创新研究。

随着全球能源转型需求的日益紧迫，任何有潜力的清洁能源技术都值得深入探索。不列颠哥伦比亚大学的桌面核聚变突破虽然距离解决人类能源问题还有很长的路要走，但它为核聚变研究开辟了一条全新的技术路径，展现了科学创新的无限可能性。

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