Exceeding 1012 D-D flash neutrons in the 4.5-MA 1-MJ dense plasma focus FAETON-X
由 Fuse Energy Technologies 开发的 4.5 MA、1 MJ 高密度等离子体聚焦系统 FAETON-X，已实现了 4.5 MA/MJ 的破纪录品质因数，并每发产生约 1.27×10¹² 的峰值 D-D 中子产额，展示了在兆焦耳级聚变装置中卓越的能量效率。
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盒子里的微型恒星
想象一下，试图在地球上重现太阳的力量。这就是聚变能的梦想：让微小的原子如此剧烈地碰撞，以至于它们发生聚变，释放出巨大的清洁能量。但太阳拥有引力来维持这一切；而我们没有。因此，科学家们使用巨大的机器，利用磁力挤压原子，创造出一个被称为“等离子体”的超高温、超高密度的气体球。实现这一目标最巧妙的方法之一是使用一种名为“致密等离子体聚焦”（Dense Plasma Focus）的装置。把它想象成一个宇宙级的弹珠机，电流充当弹珠发射器，将一股带电粒子流射入紧凑的螺旋结构中。当这些粒子在中心相互撞击时，它们被极度挤压，从而发生聚变，并喷射出中子（微小粒子）和 X 射线爆发。
我们为什么要关注这些微小的爆发？因为它们不仅仅是为了发电（尽管那是最终目标）。目前，这些机器就像超级强力的手电筒，可以测试材料和电子设备在面对强烈辐射时的承受能力。这对于设计能够在地外深空生存的航天器，或者制造在太阳风暴期间不会烧毁的电子设备至关重要。最大的挑战一直在于效率：即如何通过使用尽可能少的存储电能，来创造出最大、最热的“挤压”（pinch），从而获得最高的“性价比”。
FAETON-X：瓶中的雷暴
在这篇论文中，来自 Fuse Energy Technologies 及数所大学的研究团队介绍了一种名为 FAETON-X（简称 FX）的新型机器。他们将其描述为世界上同类设备中能量效率最高、电流强度最大的机器。如果你见过闪电风暴，你就知道电闪的威力取决于它携带多少电压以及它能多快地释放能量。研究人员想要建造一台能够在一瞬间发出巨大电气“呐喊”的机器，以前所未有的力度挤压等离子体。
该机器的构造类似于一个巨大的电容器组（基本上是一个超强充电电池），储存了 1 MJ（兆焦耳）的能量。它使用 20 个电容器来存储这些能量，然后一次性释放。目标是通过等离子体推动产生 4.5 MA（即 450 万安培！）的峰值电流。为了让你有个直观的概念，一个典型的家庭电路电流约为 15 到 20 安培。这台机器在瞬间通过一根管子推送了相当于数十万户家庭用电量的电流。
这里的秘诀在于效率。研究人员测量了一个“品质因数”，为 4.5 MA/MJ。这意味着每存储 1 兆焦耳的能量，他们就能获得 450 万安培的电流。对于这种规模的机器来说，这是一个打破纪录的数字，超过了通常只能达到 2.35 至 3.25 MA/MJ 的其他类似设施。由于机器产生的中子量与电流的四次方成正比（这意味着电流的小幅增加会导致中子产量的爆炸式增长），这种效率的提升是一个游戏规则的改变者。
结果：中子闪光
团队不仅建造了这台机器，还启动了它并观察了发生的一切。他们在调试阶段运行了 229 次射击（试验），随着学习如何让机器运行得更好，逐渐增加了功率。他们发现，随着机器不断发射，内部的电极得到了“调理”（conditioning）——本质上是通过反复的冲击变得更加洁净和平滑——这有助于等离子体挤压得更紧，从而产生更多中子。
尽管该机器尚未完全完成“调理”（意味着它仍有提升空间），但它已经突破了自己的设计目标。
- 目标： 他们预期每次射击能获得约 5 × 10¹¹ 个中子。
- 现实： 他们稳定地达到了这个数值，但在表现最好的第 224 次射击中，他们测得的峰值产量达到了 (1.27 ± 0.27) × 10¹² 中子。
这比他们预期的还要多出一倍以上！他们是在 10 Torr 压力的氘气环境下实现了这一目标。机器还产生了一个“动力诱导挤压电压”（dynamics-induced pinch voltage），在等离子体停止运动并被挤压之前，该电压峰值达到了 127 kV（千伏）。这种高电压正是团队预测会发生的情况，证实了他们的设计理念是行之有效的。
数据告诉了我们什么
研究人员使用了一系列高科技工具来观察过程，包括能看到 X 射线的特殊相机、测量等离子体移动速度的传感器以及计数中子的探测器。他们将观察到的现象与计算机模拟（使用一种称为“Lee code”的代码）进行了对比。现实世界的数据与计算机模型非常吻合，特别是在等离子体运动方式和能量转移方面。
一个有趣的发现是关于“电流鞘层”（current sheath）的——即被向内推挤的等离子体层。在挤压初期，鞘层显得有些“弥散”或分散，但随着它接近中心，它变得更加紧凑，更多的电流参与到了最后的挤压过程中。这种行为解释了为什么中子产量如此之高。机器产生的光子（光粒子）主要集中在 250 至 750 keV 范围内，这是一种特定类型的高能 X 射线。
下一步计划
论文非常明确地指出了这台机器目前能做什么，以及不能做什么。它目前针对 D-D（氘-氘） 聚变进行了优化，这也是他们进行测试的内容。然而，其设计同样适用于处理 D-T（氘-氚） 聚变。团队计算得出，如果他们切换到 D-T 燃料，该机器潜力产出的中子量可能达到每射击 5 × 10¹³ 个。那将是一个巨大的飞跃，使它成为测试电子设备和材料在极端辐射环境下生存能力的强大工具。
他们还提到，可以通过调整机器以在更低压力下运行，从而产生快速粒子束，用于研究 D-⁷Li 反应。这将产生更快速的中子（高达 14 MeV），非常适合模拟太空或核反应堆中严酷的辐射环境。
作者谨慎地指出，虽然结果令人印象深刻，但这台机器仍处于“调理”阶段。他们预计，随着更多次的射击以及对电极形状的精细调整（他们已经尝试了不同的阳极尖端和间隙），中子产量将会更高，甚至可能达到其 5 MA/MJ 效率的目标。目前，FAETON-X 是一个概念验证，证明了一台紧凑、高效的机器可以产生足以媲美更大、更旧的设施的“中子闪光”，从而为无需庞大发电厂的辐射测试和聚变研究开辟了道路。
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