物理学家们在一个多世纪前首次发现，氢气融合成氦气为太阳提供动力。研究人员花了很多年时间才揭开了恒星内较轻元素被粉碎成较重元素的秘密，并在此过程中释放出能量。科学家和工程师们一直在研究太阳的核聚变过程，希望有一天能利用核聚变来产生热量或电力。但是，以这种方式满足我们的能源需求的前景仍然遥不可及。
相比之下，从核裂变中提取能量的过程相对较快。铀中的裂变于1938年在德国被发现，直到1942年在芝加哥建造第一座核 "堆"，只用了四年时间。
目前，全世界大约有440个裂变反应堆在运行，这些反应堆加起来可以产生大约400千兆瓦的电力，并且零碳排放。然而，这些裂变工厂，尽管有其价值，却有相当大的缺点。它们使用的浓缩铀燃料必须保持安全。例如日本福岛这样毁灭性的事故，可能使一些地区无法居住。裂变废物的副产品需要被安全地处理，而且它们的放射性会保持数千年之久。因此，政府、大学和公司长期以来一直在寻找核聚变来补救这些弊病。
在这些感兴趣的各方中，美国国家航空航天局（NASA）是其中之一。该航天局对深空旅行有重大的能源需求，包括对月球和火星的探测和载人航天任务。60多年来，光伏电池、燃料电池或放射性同位素热电发电机（RTG）一直为航天器提供着电力。放射性同位素热电发电机（RTG）依靠不裂变的钚-238衰变时产生的热量，已经显示出极好的寿命。例如，两个旅行者号探测器都使用这种发电机，并且在发射后近45年仍在运行。但是这些发电机将热量转化为电能的效率大约为7.5%。而现代航天器需要更多更高效的电力，而不是一个合理大小的RTG所能提供的。
一个有希望的替代方案是晶格约束核聚变（LCF），这是一种核燃料被约束在金属晶格中的核聚变。这种约束鼓励带正电的核融合，因为导电金属的高电子密度降低了两个核在靠近时相互排斥的可能性。
氘化铒（化学符号ErD3）被放入拇指大小的小瓶中，如2018年6月20日的这组实验样品所示的，小瓶在实验前被排列好，金属上面有抹布，以便在实验中保持金属的位置。金属已经开始开裂和碎裂，表明它已经完全饱和了。
小瓶被倒置以使金属与伽马射线束对齐。伽马射线使透明玻璃变成了琥珀色。
美国宇航局研究中心的科学家和工程师正在研究这种方法是否有一天可以提供足够的动力，例如在火星表面操作小型机器人探测器。LCF将消除对诸如浓缩铀等裂变材料的需求，这些材料的获取成本很高，而且难以被安全处理。与其他利用核聚变的策略相比，LCF有望做到成本更低、体积更小、更安全。随着技术的成熟，它也可以在地球上找到用途，例如用于个人建筑的小型发电厂，这将减少对化石燃料的依赖，提高电网的弹性。
物理学家一直认为核聚变应该能够提供清洁的核电。毕竟，太阳是以这种方式发电的。但太阳有一个巨大的尺寸优势。太阳的直径接近140万公里，其等离子体核心的密度是液态水的150倍，并被加热到1500万摄氏度，太阳利用热量和重力迫使粒子聚集在一起，并保持其聚变炉的燃烧。
在地球上，我们缺乏以这种方式生产能源的能力。聚变反应堆需要达到燃料粒子密度、约束时间和等离子体温度的临界水平（以创造者约翰-劳森的名字命名的劳森标准），以实现净正能量输出。但是而到目前为止，还没有人做到这一点。
点燃聚变之火
在晶格约束核聚变（LCF）中，一束伽马射线被射向饱和了氘核的铒[如图]或钛的样品。偶尔，足够能量的伽马射线会将金属晶格中的一个氘核分解成其组成的质子和中子。
中子与晶格中的另一个氘核碰撞，将其自身的一些动量传给了氘核。被电子屏蔽的氘核现在有足够的能量来克服库仑屏障，而库仑屏障通常会把它从另一个氘核中排斥出去。
氘核-氘核聚变
当高能氘核与晶格中的另一个氘核融合时，它可以产生一个氦-3核（helion）并放出有用的能量。一个剩余的中子可以为其他地方的另一个高能氘核提供推动力。
或者，两个氘核的融合可以产生一个氢-3原子核（氚）和一个剩余的质子。这个反应也会产生有用的能量。
剥离和OP反应
在晶格约束核聚变中的另一个可能的反应会发生，如果一个铒原子反而撕裂了高能氘核，并吸收了质子。额外的质子使铒原子变成铥，并释放出能量。
如果铒原子吸收了中子，它就变成了一种新的铒同位素。这是一个奥本海默-菲利普斯（OP）剥离反应。来自断裂的氘核的质子会加热晶格。
核聚变反应堆通常利用两种不同的氢同位素：氘（一个质子和一个中子）和氚（一个质子和两个中子）。它们被融合成氦核（两个质子和两个中子），这也被称为α粒子，还有剩下一个未结合的中子。
现有的核聚变反应堆依靠所产生的α粒子以及在其产生过程中释放的能量来进一步加热等离子体。然后，等离子体将驱动更多的核反应，最终目的是提供一个净功率增益。但这是有限制的。即使在反应堆能够创造的最热的等离子体中，α粒子大多会跳过额外的氘核，而不会传递很多能量。为了使核聚变反应堆获得成功，它需要在α粒子和氘核之间创造尽可能多的直接撞击。
在20世纪50年代，科学家们创造了各种磁约束核聚变装置，其中最知名的是安德烈-萨哈罗夫的托卡马克和莱曼-斯皮策的恒星仪。抛开设计细节上的差异，每个装置都试图实现几乎不可能的目标。将气体加热到足以成为等离子体，并以磁力挤压它以点燃核聚变，同时所有这些都不会让等离子体逃逸。
惯性约束核聚变装置在20世纪70年代随后出现。它们使用激光和离子束，在直接驱动的内爆中压缩目标的表面，或在间接驱动的内爆中为内部目标容器提供能量。与磁约束反应不同的是，惯性约束反应可以持续几秒钟甚至几分钟（也许有一天是无限期的），而惯性约束核聚变反应在目标分解之前持续不到一微秒，从而结束反应。
这两种类型的设备都能产生核聚变，但迄今为止，它们都无法产生足够的能量来抵消启动和维持核反应所需的能量。换句话说，进入的能量比出来的多。混合方法，统称为磁惯性核聚变，面临同样的问题。
质子。带正电的质子（与中子一起）构成了原子核。当质子在氘核剥离反应中被铒原子吸收时，可能会发生晶格约束聚变（LCF）的一个组成部分。
中子：带中电的中子（与质子一起）构成了原子核。在聚变反应中，它们将能量传给其他粒子，如氘核。它们也可以在奥本海默-菲利普斯反应中被吸收。
铒和钛。铒和钛是晶格约束聚变（LCF）的首选金属。与所涉及的其他粒子相比，它们相对巨大，可以容纳氘核，并将它们相互屏蔽。
目前的核聚变反应堆也需要大量的氚作为其燃料混合物的一部分。氚的最可靠来源是裂变反应堆，这在某种程度上违背了使用聚变的目的。
这些技术的基本问题是，反应堆中的原子核需要有足够的能量，这意味着足够热，以克服库仑力屏障，即带正电的原子核相互排斥的自然趋势。由于库仑力屏障，融合的原子核有一个非常小的融合截面，这意味着两个粒子融合的概率很低。你可以通过将等离子体温度提高到1亿℃来增加截面，但这需要越来越多的努力来限制等离子体。目前的情况是，经过数十亿美元的投资和几十年的研究，我们称之为 "热核聚变"，仍然有很长的路要走。
在地球上实现热核聚变的障碍确实是巨大的。正如你可以想象的那样，它们在航天器上会更加不堪重负，因为航天器上不能携带托克马克或恒星仪。裂变反应堆正被视为一种替代方案。在2018年，美国宇航局在内华达国家安全基地成功测试了千兆（Kilopower）裂变反应堆，使用的铀235核心大约有纸巾卷那么大。千兆（Kilopower）反应堆可以产生高达10千瓦的电力。缺点是，它需要高浓缩铀，这将带来额外的发射安全和安保问题。另外这种燃料的成本也很高。
但是，即使传统的热核聚变方法不成功，核聚变仍然可以发挥作用。晶格约束聚变（LCF）技术可能足够紧凑、足够轻、足够简单，可以为航天器服务。
氘是核内有一个质子和一个中子的氢（只有质子的氢是氕）。氘的原子核被称为氘核，对晶格约束聚变（LCF）至关重要。
氘原子的原子核。氘核对晶格约束聚变（LCF）至关重要--当一个有能量的氘核撞上晶格中的另一个时，实际的核聚变就会发生。它们也可以在剥离反应中被分解。
氢-3（氚）。氘-氘核聚变可能产生的一种粒子，与剩余的质子一起。氚的原子核中有一个质子和两个中子，这也被称为三子。
氦-3：由氘-氘核聚变产生的一种可能的粒子，与一个剩余的中子一起。氦-3的原子核中有两个质子和一个中子，它也被称为氦核。
阿尔法粒子。一个正常氦原子的核心（两个质子和两个中子）。阿尔法粒子是典型的聚变反应堆的一个常见结果，它经常将氘和氚粒子粉碎在一起。它们也可以从氘核对晶格约束聚变（LCF）反应中出现。
伽马射线。极高能量的光子，用于通过分解氘来启动金属晶格中的核聚变反应。
晶格约束聚变（LCF）是如何工作的? 我们之前提到过氘，氢的同位素，原子核中有一个质子和一个中子。在我们的实验中，氘金属：铒和钛已经被氘或被剥离电子(氘核)的氘原子“饱和”了。这是可能的，因为金属自然存在于一个规则间隔的晶格结构中，这在金属原子之间创造了同样规则的槽，以便氘核嵌套。
在托卡马克或恒星仪中，热等离子体的密度被限制在10的14次方个每立方厘米的氘原子。惯性约束核聚变装置可以暂时达到10的26次方个每立方厘米的氘原子的密度。事实证明，像铒这样的金属可以无限期地保持每立方厘米近10的23次方个每立方厘米的氘原子的密度。这个远远高于在磁约束装置中可以达到的密度，而只比在惯性约束装置中达到的密度低三个数量级。重要的是，这些金属在室温下可以容纳这么多的离子。
饱含氘核的金属形成一个带中性电荷的等离子体。金属晶格限制并对氘核进行电子屏蔽，使每个氘核无法 "看到 "相邻的氘核（它们都带正电）。这种屏蔽增加了更多直接命中的机会，这进一步促进了聚变反应。如果没有电子屏蔽，两个氘核将更有可能相互排斥。
利用一个屏蔽了密集的冷氘子等离子体的金属晶格，我们可以使用所谓的Dynamitron电子束加速器来启动聚变过程。电子束击中钽目标并产生伽马射线，然后照射含有氘化钛或氘化铒的拇指大小的小瓶。
当足够能量的伽马射线，大约2.2兆电子伏特（MeV）击中金属晶格中的一个氘核时，氘核就会分裂成其组成的质子和中子。释放的中子可能与另一个氘核相撞，使其加速，就像台球杆撞击球时使其加速一样。这第二个高能量的氘核随后会经历两个过程中的一个：屏弃核聚变或剥离反应。
在屏蔽聚变中，我们在实验中观察到，高能氘核与晶格中的另一个氘核融合。聚变反应将产生一个氦-3核和一个剩余的中子，或者一个氢-3核和一个剩余的质子。这些核聚变产物可能与其他氘核融合，产生一个α粒子，或与另一个氦-3或氢-3核融合。这些核反应中的每一个都会释放能量，帮助推动更多的核聚变实例。
在剥离反应中，像我们实验中的钛或铒这样的原子从氘核中剥离出质子或中子，并捕获该质子或中子。铒、钛和其他较重的原子优先吸收中子，因为质子被带正电的原子核所排斥（称为奥本海默-菲利普斯反应）。理论上是可能的，尽管我们还没有观察到，电子屏蔽可能允许质子被捕获，将铒转化为铥或将钛转化为钒。这两种剥离反应都会产生有用的能量。
目前的情况是，经过数十亿美元的投资和几十年的研究，这些方法，我们称之为 "热核聚变"，仍然有很长的路要走。为了确定我们在氘化铒和氘化钛的小瓶中确实产生了核聚变，我们使用了中子光谱学。这种技术可以检测出聚变反应产生的中子。当氘核聚变产生一个氦-3核和一个中子时，该中子的能量为2.45MeV。因此，当我们检测到2.45MeV的中子时，我们知道核聚变已经发生。这就是我们在《物理评论》C刊上发表初步结果的时候。
电子屏蔽使它看起来好像氘核在1100万℃的温度下发生了融合。在现实中，金属晶格仍然比这个温度低得多，尽管它在氘核融合时从室温中加热了一些。
总的来说，在晶格约束聚变（LCF）反应中，大部分的加热发生在仅几十微米的区域。这比磁约束或惯性约束核聚变反应堆的效率高得多，后者将整个燃料量加热到非常高的温度。晶格约束聚变（LCF）反应不是冷核聚变。它仍然需要高能氘原子，并可以使用中子来加热它们。然而，晶格约束聚变（LCF）反应也消除了许多阻碍其他核聚变计划成功的技术和工程障碍。
尽管我们一直在使用的中子反冲技术是将能量转移到冷氘原子的最有效手段，但从Dynamitron生产中子是耗能的。还有其他更低能量的产生中子的方法，包括使用同位素中子源，如镅-铍或锎-252，来启动反应。我们还需要使反应能够自我维持，这可能需要使用中子反射器将中子反弹到晶格中，碳和铍是常见的中子反射器的例子。另一个选择是将聚变中子源与裂变燃料结合起来，以利用两个世界的最佳优势。不管怎么说，为了提高这些格子密闭核反应的效率，还需要对工艺进行更多开发。
科学家还通过泵送氘气通过钯银合金管的薄壁，以及通过电解法给钯加载氘气来触发核反应。在后者的实验中，科学家已经检测到了快中子。电解装置现在正在使用上面提到的相同的中子光谱学探测方法来测量这些中子的能量。科学家们得到的能量测量结果将告诉研究人员产生这些能量的核反应种类。
与此同时美国加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员，在谷歌研究的资助下，用一个类似的电子筛查核聚变装置取得了有利的结果。位于马里兰州的美国研究人员也同样使用电化学方法获得了令人鼓舞的初步结果。还有即将举行的会议：5月在美国克利夫兰举行的美国核学会空间核技术和新兴技术会议以及7月在加州山景城举行的专注于固态能源的国际冷聚变24会议。
冷聚变的任何实际应用都需要高效、自持的反应。研究人员的工作只是朝着实现这一目标迈出的第一步。如果反应速率能够被大幅提高，LCF可能会为产生清洁的核能打开一扇全新的大门，既适用于太空任务，也适用于在地球上可以使用它的许多人。
公众号：ScienceWorks
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