D-³He聚变如何减少中子？热尾与自旋极化的探索

D-³He聚变长期被寄予厚望：主反应产物是氦4和质子，释放约18.3 MeV能量，产物均为带电粒子，理论上可以直接进行高效能量转换。

但实际上氘还会发生D–D次级反应，产生中子或氚；后者若继续与氘发生D–T反应，也会释放中子。此外，温度要求也同样苛刻。

论文估算，其理想点火温度约为30keV，理想运行温度约为70 keV，明显高于D–T聚变。在10 keV热平衡等离子体中，D–³He单位聚变功率对应的中子产额仍达到D–T的90%–95%。也就是说，仅仅更换燃料，并不能自动实现低中子运行。

论文把突破口放在燃料本身的状态上，组合了两项手段：

1. 非热高能尾部，即让部分粒子具有高于热平衡分布的能量；

2. 自旋极化燃料。

模型以参数F描述分配给高能尾部的能量比例。在10 keV条件下，F = 0.1的高能尾部可使D–³He反应率提高约一个数量级，F = 0.6时提升可达两个数量级，自旋极化再带来约1.5倍增益。

更关键的是，不同反应受到的增强幅度并不相同。D–³He 主反应获得的增益高于D–D等次级反应，于是同样输出功率下，单位功率对应的中子产额反而下降。论文将这一现象称为不对称增强，并以此作为全文的主线。理想点火温度随之下降：F = 0.3 时，由约30 keV降至9.5 keV；叠加自旋极化后，进一步降至约3.8 keV。

反应率上的优势最终要落到一个工程指标上：单位聚变功率对应的中子产额。结果显示，在自旋极化、F = 0.5的非热燃料达到模型所定义的理想点火条件时，中子产额约为D–T的3.0%–5.4%，中子携带的聚变功率占比则约为0.4%–2.4%。这些数值的范围取决于生成的氚是被及时移除，还是留在等离子体中继续参与反应。

下图：(a) 在各自理想点火能标处的每瓦中子数随热尾份额F的变化，含极化/非极化对比与氚处置边界；(b) 结果对尚未实测的D–D自旋响应（QSF）的敏感性。

图片来源：公开资料

作者以一个锚定ARTEMIS概念设计的200 MW聚变功率装置为例，估算在F = 0.5的自旋极化非热燃料情景下，第一壁中子负荷可由D–T参考情景下的1.45 MW/m²降至约0.008–0.043 MW/m²，达到20 dpa材料损伤水平所需时间可由约 1.5 个满功率年延长至约27.5个满功率年。

下图：200 MW概念装置的第一壁中子负荷与包层寿命。横轴为中子负荷，上轴为14 MeV当量损伤率，右列为达到20 dpa所需满功率年数。

图片来源：公开资料

论文除了指出氦3存在供应挑战外，也指出了研究中存在的三处限制。

1. 维持高能尾部的成本尚未计入

   点火能量的计算只计入轫致辐射损失，并假设离子之间无库仑碰撞、离子也不受电子碰撞，等于默认高能尾部不会自然衰减。目前唯一的实验观测是TAE的C-2U上由束驱动波产生的高能离子尾，它依赖高功率中性束注入维持。论文认为实验观测到的热尾远未达到理论所需的受控程度。

   
   

2. D–D反应的自旋响应存在不确定性

   论文用五重态截面修正因子（QSF）描述自旋极化对D–D反应截面的影响。不同理论模型给出的结果存在明显差异，且目前缺少足够的实验数据加以判定。在F = 0.3的敏感性分析中，当QSF 从0.25变化至1.5 时，中子产额从D–T的0.8% 变化至4.7%，相差约6倍。这是当前估算中最大的单项不确定性之一，作者指出PolFusion 实验有望为这一问题提供数据。

   
   

3. 极化等离子体能否存活仍是一个挑战

   在托卡马克这类复杂环境中，粒子间的相互作用会导致退极化，抵消掉极化本身的效果；而极化燃料的制备同样存在工艺难题。

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