美研究团队发现固体材料可显著提高低能聚变反应频率

美国加州大学戴维斯分校 (UC Davis) 与美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室 (Lawrence Berkeley National Laboratory) 研究团队发现，聚变反应所处的材料环境会显著影响反应发生频率，尤其是在通常很难发生聚变的低能量区域。相关成果已于7月18日发表在《自然通讯》(Nature Communications) 上。

研究人员认为，这一发现为研究固体材料内部核反应提供了新的实验路径，也使“材料驱动聚变”成为一个值得进一步探索的方向。与传统上侧重于开发可承受聚变极端环境的材料不同，该研究提出，材料本身可能在特定条件下促进聚变反应，作用方式有些类似化学反应中的催化过程。

在实验中，研究人员将氘填充到钯和钛薄箔中。氘是一种常用于聚变反应的氢同位素。团队采用两种不同方法处理薄箔后，再用不同能量的氘离子束进行轰击，并测量聚变反应发生频率。随后，研究人员将不同材料和处理方法下得到的聚变速率，与不处于任何材料环境中的“裸”聚变反应速率进行比较。

结果显示，聚变速率与氘在金属薄箔中的填充方式密切相关。最明显的变化出现在低于2.5千电子伏特的低能区域。按照理论预期，聚变速率在这一能量范围内应快速下降，但实验中部分样品却出现了聚变速率平台期，其反应频率比裸聚变反应高出约10^18倍。

对于这一现象的具体机制，研究人员尚未完全确认。团队推测，材料中的电子以及晶体缺陷可能在一定程度上屏蔽了氘核之间的静电斥力，使氘核更容易接近并发生聚变。未来，通过调控材料的电子结构、缺陷分布和成分，有可能进一步改变核反应发生条件。

伯克利实验室加速器技术与应用物理部门聚变科学与离子束技术小组负责人阿伦·珀绍德 (Arun Persaud) 表示，这一结果为聚变研究提供了新的控制因素。如果相关机制能够得到更深入理解，研究人员或可开发出在特定条件下影响聚变速率的新材料，并推动更紧凑、更高效的中子发生器研发。中子源可用于货物筛查、行星科学、医疗治疗和成像等领域。

论文通讯作者、加州大学戴维斯分校教授杰里米·蒙迪 (Jeremy Munday) 表示，下一步关键在于弄清材料增强低能聚变的具体机制，并评估这种效应是否能够在更低温度或更低能量条件下继续发挥作用。

研究团队计划继续测试更多类型的材料，并重点研究低能量条件下出现的异常聚变平台期。该团队认为，这一可重复实验平台有助于系统研究固体材料如何影响核反应，也为聚变科学、材料科学和化学之间的交叉研究提供了新的切入点。

该研究由美国能源部高级研究计划署 (ARPA-E) 资助。