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一、磁化靶聚变 磁化靶聚变（MTF）是一种融合了磁约束聚变（MCF）和惯性约束聚变（ICF）特点的聚变能概念。与磁约束方法类似，聚变燃料在被加热成等离子体时，由磁场以较低密度进行限制。而借鉴惯性约束的方法，通过快速挤压目标物质，可以显著提高燃料的密度和温度，从而触发聚变反应。虽然MTF产生的密度远低于ICF，但人们相信，结合较长的约束时间和更优的热保持能力，MTF能够运行且更易于构建。
二、聚变概念 在聚变过程中，较轻的原子核融合形成较重的原子核。最容易实现这种融合反应的燃料是氢的同位素。这些反应通常在等离子体内部发生。等离子体是一种被加热至电离状态的气体，其中所有的电子都已从原子中剥离，留下带正电的离子。由于离子之间存在库仑力的相互排斥，通常需要在高能量下发生碰撞，才能使强相互作用在短距离内克服这种排斥力，实现聚变。为了使聚变在大量等离子体中发生，必须将其加热至数千万度，并在高压下压缩足够长的时间。这种条件的组合被称为三乘积，聚变研究的主要目标是实现尽可能高的三乘积。 三、磁约束聚变与惯性约束聚变 磁约束聚变致力于将稀薄的等离子体（约10^14个离子/立方厘米）加热至高温度，大约20 keV（约2亿摄氏度）。这比环境空气的密度低约100,000倍。为了在这些高温下制造一个实用的反应堆，燃料必须被长时间约束，大约为1秒。ITER托卡马克设计目前正在建造中，旨在测试脉冲长度可达20分钟的磁约束方法。 惯性约束聚变旨在产生更高的密度，大约10^25个离子/立方厘米，大约是铅密度的100倍。这使得反应在极端快速的时间内发生（约1纳秒）。由于不需要长时间的约束，尽管反应产生的热能和粒子会导致等离子体向外膨胀，但这一过程的速度慢于聚变反应本身。 截至2018年，经过几十年的研究，这两种核聚变方法都接近于实现净能量增益（Q>1），但距离实际的能源生产设备还有很长的路要走。 四、MTF的方法 MCF和ICF分别从不同角度解决劳森准则问题，而MTF则尝试在这两者之间找到一个平衡点。MTF的目标是实现10^19个离子/立方厘米的等离子体密度，介于MCF（10^14个离子/立方厘米）和ICF（10^25个离子/立方厘米）之间。在这个密度下，约束时间需要达到1微秒左右，约束时间同样介于两者之间。MTF利用磁场减缓等离子体损失，同时使用惯性压缩来加热等离子体。 一般而言，MTF属于惯性方法的一种。通过脉冲式操作压缩燃料，从而增加密度并加热等离子体，类似于压缩加热普通气体。在传统ICF中，通过激光对靶体进行压缩，以增加更多的能量，但这些能量会通过多个途径泄漏。MTF在压缩前创建一个磁场，该磁场能够限制和绝缘燃料，减少能量损失。与ICF相比，MTF得到的是一个密度和温度都适中、以中等速率进行聚变的燃料团，因此只需要中等长度的时间进行约束。 随着燃料颗粒的压缩，等离子体中的热量和压力会增长。坍缩的速率通常是线性的，但压力基于体积，而体积随着压缩的立方而增加。在某个时刻，压力足够大，能够停止甚至逆转坍缩过程。围绕燃料的金属衬里质量意味着这个过程需要一定的时间来完成。MTF的概念是基于确保这个持续时间足够长，以便聚变过程得以发生。 MTF在能量输入方面比ICF和低密度等离子体聚变更具优势，其效率相对较高且成本较低，而ICF则需要专门的高性能激光器，这些激光器目前效率较低。这些激光器，被称为“驱动器”，其成本和复杂性非常高，使得传统的ICF方法在商业能源生产方面仍然不切实际。同样，尽管MTF在压缩燃料时需要磁约束来稳定和绝缘燃料，但所需的约束时间比MCF少数千倍。MTF所需的约束时间已经在多年前的MCF实验中得到证明。 MTF所需的密度、温度和约束时间完全符合当前技术水平，并已多次得到验证。洛斯阿拉莫斯国家实验室将这一概念称为“通往聚变的低成本路径”。 五、设备 FRX-L 在洛斯阿拉莫斯国家实验室的FRX-L开创性实验中，首先通过变压器耦合电流通过石英管内的气体（通常是为了测试目的而非燃料气体）以低密度产生等离子体。这会将等离子体加热至约200 eV（约230万摄氏度）。外部磁铁在管内约束燃料。由于等离子体是导电的，允许电流通过，因此产生的电流会产生与电流相互作用的磁场。等离子体的配置使得一旦建立，磁场和电流就会在等离子体内稳定下来，实现自约束。为此，FRX-L采用了场反转配置。由于温度和约束时间比MCF低100倍，因此约束相对容易安排，不需要大多数现代MCF实验中使用的复杂且昂贵的超导磁铁。
FRX-L实验室的近期照片FRX-L后来升级增加了一个“注入器”系统。该系统位于石英管周围，由一组锥形磁线圈组成。通电时，这些线圈产生的磁场在管的一端较强而在另一端较弱，将等离子体推向较大的一端。为了完善系统，计划将注入器放置在新墨西哥州阿尔伯克基的Kirtland空军基地空军研究实验室定向能量实验室现有的Shiva Star“罐头破碎机”的焦点上方。 FRCHX 2007年，一个名为FRCHX的实验被放置在Shiva Star上。与FRX-L类似，它使用一个生成区，并将等离子体束注入Shiva Star的衬里压缩区。Shiva Star向1毫米厚的铝衬里传递约1.5 MJ的动能，该衬里以约5 km/s的速度圆柱形坍缩。这将等离子体束压缩至大约5×10^18 cm^-3的密度，并使温度升高至约5 keV，使用D-D燃料实现“每次射击”产生约10^12个中子的中子产额。在较大射击中释放的功率达到MJ级别，需要一周的时间来重置设备。设备产生的强烈电磁脉冲（EMP）为诊断提供了一个具有挑战性的环境。 示范工厂 加拿大General Fusion公司与英国原子能管理局合作，计划在英格兰的Culham建设一座示范工厂，作为商业可行的试点工厂的前身。反应容器将是一个快速旋转的液态金属（铅，掺杂锂以收集通过中子活化产生的氚）圆柱体，该圆柱体通过蒸汽驱动的同步活塞的作用被塑造成一个球体。当球体收缩时，作为等离子体的磁化聚变燃料被注入其中，产生足够的温度和压力以进行聚变反应。液态金属通过热交换器循环以提供蒸汽。
预计工厂的建设将于2022年开始，并于2025年开始运营。 六、面临挑战 MTF并不是聚变发电领域的首个“新方法”。20世纪60年代，当惯性约束聚变（ICF）首次被提出时，它被视为一种革命性的途径，人们期望到1980年代能够开发出实用的聚变设备。然而聚变技术在发展过程中遇到了一些意料之外的难题，这些难题极大地增加了实现有效输出功率的难度。例如，在磁约束聚变（MCF）中，随着等离子体密度或温度的提高，出现了意料之外的不稳定性。而在ICF中，则面临能量意外损失和难以“平滑”激光束的问题。尽管这些问题在现代大型聚变设备中已部分得到解决，但代价相当高昂。 总体而言，MTF所面临的挑战似乎与ICF相似。为了有效地产生能量，必须将等离子体的密度提升到一个工作水平，并且在这个水平上维持足够长的时间，以便大部分燃料质量能够经历聚变反应。这一过程需要在金属衬里向内驱动的同时进行。 参考链接：
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