几十年来，聚变研究人员一直在努力解决中子同位素问题，而中子同位素是衡量等离子体可扩展稳定性的关键指标。Zap Energy的最新结果表明，其FuZE装置避免了以往Z箍缩失败的陷阱，产生了能够证明热核聚变正在发生的中子同位素。

在物理学中，“各向同性”指的是在所有方向上属性均保持不变的系统。在聚变研究中，中子能量各向同性是评估中子从装置中发射均匀程度的关键指标。这种均匀性至关重要——当聚变等离子体呈各向同性时，表明等离子体处于稳定、热态，可扩大规模以实现更大的能量产出。相反，呈各向异性的等离子体发射中子不均匀，表明等离子体不稳定，可能无法维持聚变反应。

《核聚变》期刊上近期发表了一项来自Zap Energy的研究，该研究提供了迄今为止最有力的证据，证明其采用的剪切流稳定Z箍缩方法可实现稳定的热核聚变。这项在FuZE装置上进行的研究标志着Zap Energy的方法在扩大更高能量输出方面取得了重大突破，也增强了人们对下一代FuZE-Q装置性能潜力的信心。

“从本质上讲，这一测量结果表明等离子体处于热力学平衡状态，”Zap公司首席科学家兼联合创始人尤里·舒姆拉克（Uri Shumlak）解释道。“这意味着我们可以将等离子体的尺寸扩大一倍，同时期望存在相同类型的平衡状态。”

读取中子

在Zap反应堆核心内，氢核聚变成氦核，此过程会释放出高能中子。这些中子携带了聚变反应释放的80%的能量，因此，通常情况下，中子越多越好。

然而，并非所有类型的核聚变反应都是相同的。热核聚变是Zap公司的目标——在等离子体内部极高的温度和压力下，原子核聚合在一起。热核聚变会产生高能中子，当中子数量随着通过等离子体的电流增加到核聚变产生净能量所需的水平时，高能中子数量会呈指数级增长（大约达到10的11次方）。

不那么理想的是所谓的束靶融合，即氢原子核被加速到高速并撞击静止原子核时发生的反应。与热核聚变不同，束靶聚变表明等离子体处于非平衡状态，因此它无法大规模应用，从而使其实用化变得更加困难。

热核聚变产生的中子具有各向同性速度，即所有方向上的能量相同，而束靶聚变则产生各向异性的中子，即某些方向上的中子能量更高。因此，比较不同位置的中子能量测量值是观察 FuZE 装置中非热核聚变所占比例的一种简单方法。

“如果我们主要从束靶源中看到中子，那就意味着我们的机器无法升级。我们无法实现净能源生产，”Zap的高级科学家兼这项新研究的主要作者雷切尔·瑞安说道。

为了测试聚变初级中的中子各向同性，美国桑迪亚国家实验室的科学家和工程师们使用放置在装置周围的中子探测器进行了一系列测试。他们对用相同机器设置产生的433个等离子体射束进行了测量，发现中子几乎是完全各向同性的。

一种具有多方面意义的衡量方式

中子同位素不仅是物理学进步的关键基准，对Zap的聚变方法而言还具有额外的历史意义。

Z箍缩是核聚变领域历史最悠久的方法之一，可追溯至20世纪50年代。当时，英国从事零能量热核装置（ZETA）研究的科学家们开始利用磁场“挤压”等离子体，强度足以产生核聚变，他们以为自己成功了。但结果并非如他们所愿。事实证明，他们的装置几乎完全是通过在磁场中产生不稳定性来制造束靶聚变。这意味着他们永远无法实现净能量增益聚变。这一度让物理界满怀希望，但最终却令人失望，也成为了一次公关灾难。

虽然各向同性成为基于箍缩方法的一个特别明显的缺点，但所有聚变技术都存在从束靶中子中测得假阳性的风险。例如，一种被称为密集等离子体焦点（DPF）的装置在很大程度上也被认为不是通往聚变发电厂的可行之路。尽管它在某些方面与Zap公司的装置相似，并被认为是产生中子的有效手段，但DPF中子主要来自束靶相互作用。

朝着可扩展聚变能迈出的一步

有了这些实验的经验，Zap公司对其中子所讲述的“故事”格外关注。该公司在2018年首次测量了热核聚变，而这些新测试具有更高的灵敏度，且能量更高，进一步证实了剪切流可以推迟不稳定性的发生，而这种不稳定性正是之前Z箍缩实验失败的原因。无需任何外部磁场约束即可实现的热核Z箍缩聚变依然前景可期。

舒姆拉克说，这篇文章代表了物理学上一个重要的考量。“这就是为什么我们要如此费力地进行这些精确测量”，他说。

为未来做准备

自2023年加入Zap以来，瑞安（Ryan）在劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Lab）的合作者和合著者先前工作的基础上，在Zap的中子测量规划与执行方面发挥了主导作用。接下来，该团队将在Zap的FuZE-Q装置上以更高的能量运行同一组测试。初步结果看起来很有希望。

瑞安（Ryan）说:“随着我们继续扩大规模，对我们来说，重要的是要不断进行这种测量，并不断检查束靶融合是否有助于提高我们的产量。”

有趣的是，论文还指出，在每次射击接近尾声时，中子的各向同性减弱，均匀性丧失。研究人员认为，这很可能是在聚变完全停止并崩溃之前，箍缩变得不稳定的阶段。理解这一阶段，可能有助于更好地理解如何防止不稳定性使聚变过早中断，并进一步延长等离子体的持续时间，提高其性能。

参考文献：《剪切流稳定Z箍缩中中子能量各向异性的时间分辨测量》，作者：R.A.瑞安、P.E.蔡、A.R.约翰森、A.E.尤曼斯、D.P.希金森、J.M.米特拉尼、C.S.亚当斯、D.A.萨瑟兰、B.莱维特和U.舒姆拉克，发表于2025年1月31日，《核聚变》期刊。DOI：10.1088/1741-4326/ada8bf