美國能源部（Department of Energy）下屬的聚變能科學(xué)計(jì)劃（Fusion Energy Sciences program）近日宣布，向一個(gè)以DIII-D托卡馬克裝置為核心的自旋極化聚變（SPF）項(xiàng)目提供第二輪資金支持。這一舉措標(biāo)志著核聚變研究領(lǐng)域在提升燃料效率和反應(yīng)截面方面邁出了關(guān)鍵一步。自旋極化聚變的核心理念在于，當(dāng)氘和氦-3等燃料同位素的自旋方向與磁場平行排列時(shí)，其發(fā)生碰撞并引發(fā)聚變反應(yīng)的幾率將顯著高于未極化的普通燃料。理論上，這種技術(shù)路徑有望將系統(tǒng)的能量輸出提升70%至80%，從而大幅降低實(shí)現(xiàn)凈能量增益所需的燃料用量。

托馬斯·杰斐遜國家加速器實(shí)驗(yàn)室（Thomas Jefferson National Accelerator Facility）的物理學(xué)家向冬（Xiangdong Wei）作為該研究的主要負(fù)責(zé)人之一指出，聚變研究的目標(biāo)是以Zui小的材料消耗獲取Zui大化的能量。通過的自旋對(duì)齊，少量的燃料即可產(chǎn)生更為劇烈的聚變反應(yīng)，所產(chǎn)生的能量甚至可以為下一輪聚變循環(huán)提供動(dòng)力。盡管這一概念早在20世紀(jì)80年代便已被提出，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，如何開發(fā)出一套能夠充分極化燃料、并在注入托卡馬克裝置后長時(shí)間保持極化狀態(tài)的系統(tǒng)，一直是困擾科學(xué)家的技術(shù)難題。只有成功維持燃料的極化狀態(tài)，才能有效增加聚變反應(yīng)截面，從而在給定密度下提高單位時(shí)間內(nèi)的反應(yīng)次數(shù)。

目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了能夠極化、儲(chǔ)存并向DIII-D托卡馬克裝置注入氘和氦-3燃料的設(shè)備設(shè)計(jì)工作。隨著二期資金的到位，項(xiàng)目正式進(jìn)入第二階段，重點(diǎn)轉(zhuǎn)向原型的制造與設(shè)備的實(shí)際構(gòu)建。這一進(jìn)展不僅驗(yàn)證了技術(shù)路線的可行性，也為未來緊湊型聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)提供了重要的工程參考。對(duì)于中國及全球的行業(yè)從業(yè)者而言，自旋極化技術(shù)的成熟可能意味著未來聚變?nèi)剂瞎?yīng)鏈將發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，對(duì)高純度同位素的處理和注入技術(shù)提出更高要求。

在診斷與監(jiān)測領(lǐng)域，一項(xiàng)Zui新發(fā)表的研究成果同樣引人注目。研究人員在《科學(xué)儀器評(píng)論》（Review of Scientific Instruments）期刊上發(fā)布了一種多通道X射線成像儀，該設(shè)備能夠以廣闊的視場和高分辨率測量聚變等離子體的溫度分布。這種被稱為“環(huán)形X射線成像儀”的裝置，其核心創(chuàng)新在于探測器鏡面采用了具有不同帶寬的非周期多層涂層。這些納米級(jí)的結(jié)構(gòu)層經(jīng)過精密優(yōu)化，能夠分別捕捉中心能量為8.7、13和17.5千電子伏特（keV）的三個(gè) distinct X射線能帶，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體溫度的測定。

據(jù)美國物理聯(lián)合會(huì)（American Institute of Physics）介紹，該設(shè)備是首個(gè)能夠在單一位置同時(shí)測量上述三個(gè)能帶的診斷工具。這種多能帶同步測量的能力，使得研究人員能夠更全面地分析等離子體的熱力學(xué)狀態(tài)，減少因數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致的誤差。目前，該成像儀即將被送往國家點(diǎn)火裝置（NIF）進(jìn)行慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)。對(duì)于中國正在推進(jìn)的多個(gè)聚變實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目而言，此類高分辨率、多能帶同步診斷技術(shù)的引入，有望提升對(duì)高溫等離子體不穩(wěn)定性及熱傳輸機(jī)制的理解，為優(yōu)化磁約束或慣性約束參數(shù)提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

在材料科學(xué)與慣性約束聚變的交叉領(lǐng)域，人工智能技術(shù)正展現(xiàn)出解決傳統(tǒng)難題的巨大潛力。慣性約束聚變過程中，當(dāng)燃料填充管靶材受到?jīng)_擊時(shí)，微小的材料缺陷往往會(huì)導(dǎo)致里希特邁耶-梅什科夫（Richtmyer-Meshkov, RM）不穩(wěn)定性，進(jìn)而引發(fā)射流現(xiàn)象，破壞聚變反應(yīng)的對(duì)稱性并降低能量耦合效率。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上發(fā)表論文，描述了一種利用機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)優(yōu)化算法來中和微小材料缺陷影響的方法。

該算法通過計(jì)算確定了在明膠模型中何處添加微觀空洞，這些空洞能夠在沖擊波到達(dá)通常產(chǎn)生射流的界面之前分散其能量。雖然這一概念目前主要應(yīng)用于明膠模型驗(yàn)證，但其設(shè)計(jì)邏輯可延伸至球形填充管的設(shè)計(jì)中，以直接服務(wù)于聚變應(yīng)用。歐洲X射線自由電子激光裝置（European XFEL）的儀器科學(xué)家耶爾古斯·斯特魯卡（Jergus Strucka）指出，盡管此類設(shè)計(jì)在模擬中表現(xiàn)優(yōu)異，但往往因結(jié)構(gòu)復(fù)雜而難以制造和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該研究是首批證明AI優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建并研究的案例之一。

這一技術(shù)突破不僅對(duì)聚變領(lǐng)域具有意義，也為其他材料科學(xué)研究提供了新的范式。通過AI輔助逆向設(shè)計(jì)，工程師可以探索傳統(tǒng)試錯(cuò)法無法觸及的材料微觀結(jié)構(gòu)組合，從而開發(fā)出具有特定抗沖擊或能量分散特性的新型復(fù)合材料。對(duì)于中國制造業(yè)及科研機(jī)構(gòu)而言，這種將人工智能與物理仿真深度融合的研發(fā)模式，值得在高端裝備研發(fā)和新材料開發(fā)中加以借鑒和應(yīng)用。

總體來看，本輪美國能源部的資助重點(diǎn)涵蓋了從燃料制備、等離子體診斷到材料抗沖擊設(shè)計(jì)的多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。自旋極化聚變項(xiàng)目旨在通過提升反應(yīng)效率來降低聚變門檻，新型X射線成像儀致力于提供更精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測手段，而AI優(yōu)化的抗沖擊設(shè)計(jì)則試圖解決慣性約束中的穩(wěn)定性難題。這三項(xiàng)進(jìn)展共同指向一個(gè)核心趨勢：核聚變研究正從單一的大科學(xué)裝置建設(shè)，轉(zhuǎn)向?qū)﹃P(guān)鍵子系統(tǒng)精細(xì)化、智能化控制的深入探索。對(duì)于全球聚變產(chǎn)業(yè)鏈而言，這些技術(shù)突破可能在未來十年內(nèi)重塑燃料處理標(biāo)準(zhǔn)、診斷設(shè)備規(guī)格以及靶材制造工藝，進(jìn)而影響整個(gè)行業(yè)的競爭格局和技術(shù)路線選擇。