美国科学家一直在托卡马克装置中测试自旋极化核燃料，该装置运行温度约1亿摄氏度，旨在探索通过粒子排列实现聚变更有效的方法。
波导有助于将微波发生器产生的射频波传输到自旋极化聚变项目中使用的氘化锂燃料丸。(杰斐逊实验室照片/艾琳·德夫林)
此项目由美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施研究团队领导，目标是评估在核物理中广泛使用的自旋极化方法，能否在磁约束聚变装置内部的极端条件下存续。参与计划的科学家称，这是开发利用恒星能量为世界电网供电创新方法更广泛努力的一部分。
杰斐逊实验室物理学家、研究共同负责人魏向东博士表示，目标是用尽可能少的材料获取能量，少量燃料若方向正确可产生更大能量用于下一轮聚变反应。
实验在DIII - D(D3D)托卡马克装置上进行，该装置利用磁场将等离子体约束在甜甜圈形状腔室中，使原子核碰撞聚变释放巨大能量。D3D托卡马克是北美最大托卡马克，也是测试未来反应堆(如ITER)技术的领先平台。
美国能源部科学办公室聚变能源科学研究部门代理主任马修·兰克托博士称，自旋极化聚变(SPF)项目是推进美国能源部聚变路线图的有针对性投资。若成功，理论预测将对聚变试验装置产生重大影响。
这种新方法涉及调整粒子的固有自旋方向，自旋是类似微型磁铁的量子特性，粒子指向同一方向即为自旋极化。理论表明，这可将聚变反应概率提高约50%，整体能量输出提高80%，且消耗燃料更少。
为验证概念，研究团队使用氘和氦 - 3这两种同位素。多数聚变实验依赖氘氚(DT)燃料，但氚稀少且具放射性，氦 - 3有类似自旋动力学特性且无供应和安全挑战。参与SPF项目的杰斐逊实验室工程师菲利普·多布伦茨称，可利用中子加锂反应制造氚，目前聚变燃料供应几乎无限制。
研究利用受医用磁共振成像系统启发的技术对氦 - 3进行极化，制备后需小心运输并注入托卡马克装置，确保取向不变。整个过程仅需几毫秒，需精确控制低温和磁场。第一阶段，研究团队获得氘化锂(LiD)并运至橡树岭国家实验室进行颗粒制备，LiD室温下为固态，但难以极化。
下一阶段重点是构建和集成整个系统，包括粒子注入器和诊断工具，以测量极化效应能否在1亿开尔文的等离子体中持续存在。预计2030年完成的最终实验将分析聚变副产物以验证该效应。
若成功，自旋极化燃料有望制造出更小、更便宜、点火要求更低的聚变反应堆，加速实现商业聚变能源进程。多布伦茨称，项目成功将在聚变产业内催生全新研究领域。
