使用量子力学触发原子聚变

时间：2021-09-03 14:52:04 来源：

欧洲XFEL的加速器隧道。

核物理学通常涉及高能，如通过实验掌握主控核聚变所说明的那样。问题之一是如何克服原子核之间的强电排斥，原子核之间需要高能量才能使其融合。但是聚变可以通过例如由发射X射线光的最新型自由电子激光器产生的电磁场在较低的能量下引发。Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）的研究人员在《物理评论》（Physical Review C）杂志中描述了如何做到这一点。

在核聚变过程中，两个原子核融合成一个新核。在实验室中，当研究人员利用聚变反应为其他实验创建快速自由中子时，这可以通过粒子加速器来完成。在更大的范围内，该想法是实现光核的受控聚变以产生能量-以太阳为模型：其能量是在其内部发生的一系列聚变反应的产物。

多年来，科学家一直在研究利用聚变能发电的策略。“一方面，我们正在寻找一种几乎无限的动力来源。另一方面，我们希望通过工作克服许多技术障碍。” HZDR理论物理系主任RalfSchützhold教授说，他描述了他的研究动机。

较高级别的隧道化，不久将可访问

为了触发核聚变，您首先必须克服带相同电荷的原子核之间的强电排斥。这通常需要高能量。但是，该研究的共同作者弗里德曼·奎塞尔博士解释道，这是另一种方式：“如果没有足够的能量，可以通过隧穿实现融合。这是一个量子力学过程。这意味着您可以通过（即隧道）穿过由低能核排斥引起的能垒。”

这不是某种理论上的构想；它确实发生了：太阳核心的温度和压力条件不足以直接克服能垒并使氢核融合。但是仍然发生聚变，因为主要的条件由于足够多的隧穿过程而使聚变反应得以持续。

在他们目前的工作中，HZDR科学家正在研究是否可以借助使用辐射的隧穿过程来促进受控聚变。但这也是一个能源问题：它越低，隧穿的可能性就越小。到现在为止，传统的激光辐射强度仍然太低而无法触发该过程。

XFEL和电子束有助于聚变反应

这一切都可能在不久的将来发生变化：使用X射线自由电子激光器（XFEL），已经可以实现每平方厘米1020瓦的功率密度。这相当于大约一分硬币表面上太阳照射到地球的能量的一千倍。Schützhold说：“我们现在正进入一些领域，这些领域表明有可能用强力X射线激光来协助这些隧穿过程。”

这个想法是，引起原子核排斥的强电场与可以借助XFEL产生的较弱但快速变化的电磁场叠加。德累斯顿的研究人员从理论上研究了氢同位素氘和tri的融合过程。该反应目前被认为是未来聚变电厂最有希望的候选者之一。结果表明，应该可以通过这种方式提高隧穿速率。足够多的隧穿过程最终可以促进成功的受控聚变反应。

如今，全球只有少数具有潜在潜力的激光系统是大型研究机构的旗舰产品，例如日本和美国的研究机构，以及在德国拥有世界上同类最强激光器的欧洲XFEL，在汉堡地区可以找到。在那里的亥姆霍兹国际极端场光束线（HIBEF）计划进行具有独特的超短和极亮X射线闪光的实验。HZDR当前正在构建HIBEF。

德累斯顿强场物理学家的下一步是更深入地研究该理论，以便更好地理解其他聚变反应，并能够评估其在利用辐射协助隧穿过程方面的潜力。在实验室系统中已经观察到类似的过程，例如固态物理学中的量子点或玻色-爱因斯坦凝聚物，但在核聚变中，实验证明仍在进行中。该研究的作者进一步思考，认为其他辐射源可能会辅助隧穿过程。已经获得了有关电子束的第一个理论结果。

参考：Friedemann Queisser和RalfSchützhold的“动态辅助核聚变”，2019年10月21日，《物理评论》 C.DOI：
10.1103 / PhysRevC.100.041601

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