一提到核聚变能，这里的人就会想到普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)在核聚变结合氢同位素原子核方面的突破。但是还有其他种类的核聚变能源，包括一种可能性不大的核聚变能源，它刚刚获得了美国能源部高级研究计划局(ARPA-E)的大力支持。
Nat Fisch(左二)和他的研究团队正在研究质子-硼聚变，Fisch称其为“真正清洁、真正丰富的聚变能量的圣杯”。Fisch的团队包括两名博士后，Ian Ochs(右)和Elijah Kolmes(中)，他们都是普林斯顿大学2022年的博士毕业生，还有两名研究生，Mikhail Mlodik(右二)和Tal Rubin(左)。
这个大胆的研究项目正在调查清洁核聚变能源的“圣杯”，普林斯顿大学(Princeton University)天体物理学教授、新项目的首席研究员纳特·菲什(Nat Fisch)说。与数十年来的氘-氚(DT)聚变不同，他和他的团队想要开发质子与硼-11离子(pB11)的聚变反应。
“当然，到目前为止，最简单的聚变反应是DT，”Fisch说，他也是该大学等离子体物理项目的主任，也是PPPL学术事务的副主任。“这已经够难了，但仍然是最明智的方法，我在研究生院被教导pB11反应不现实。然而，pB11是真正清洁、真正丰富的聚变能源的圣杯。”
最近被任命为PPPL可持续发展科学高级战略顾问的艾米丽·卡特(Emily Carter)说:“核聚变发电有潜力为世界提供稳定的电力，而不需要太阳能和风力发电厂的间歇性和土地需求，因此值得我们投资。”卡特还是普林斯顿大学能源与环境格哈德·r·安德林格教授，以及机械与航空航天工程、安德林格能源与环境中心以及应用与计算数学教授。
Fisch最近得到消息，他的团队将从ARPA-E OPEN 2021项目中获得150万美元，该项目优先资助那些支持解决清洁能源挑战的新方法的技术。
在宣布ARPA-E项目时，美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆(Jennifer Granholm)表示:“大学、公司和我们的国家实验室正在加倍努力，推进美国清洁能源技术创新和制造业，提供从可再生能源到核聚变能源等关键能源解决方案，以应对气候危机。”
在转化元素的过程中存在着巨大的能量:在重核分裂的核裂变过程中，在轻核合并的核聚变过程中，这种核反应不会带来裂变的风险。“为了保护我们星球的气候，需要像核聚变这样的无碳能源，”Fisch说。“核聚变能源比裂变能源更有优势，”他继续说，“不仅因为它有取之不尽的燃料供应，还因为它避免了反应堆事故、核扩散或长寿命核废料的风险。”
全世界的努力都集中在最简单的聚变反应上，用氢的两种形式:氘和氚。利用这种反应产生的能量的主要方法是托卡马克，这是一个环形装置，通过大磁场限制反应。普林斯顿等离子体物理实验室在这方面一直处于世界领先地位。
一种不同的聚变反应
新近由美国高级研究计划署(ARPA-E)资助的普林斯顿项目“质子-硼11核聚变”(Economical proton – boron11 Fusion)并不仅仅是DT核聚变的一种变体，而是采用了一种完全不同的聚变反应，将一个质子(氢原子的原子核)和一个硼-11原子核(5个质子和6个中子)融合在一起。这两种聚变反应都释放出巨大的能量，但质子硼(pB11)反应需要比DT反应高得多的温度。
“DT反应已经是一个巨大的挑战，需要数亿摄氏度，所以需要更高温度的反应被认为是几乎不可能的，”Fisch说。此外，即使能够达到这样的温度，在如此高的温度下，电子产生的x射线带走的能量比聚变反应中产生的能量更多。因此，有充分的理由认为，pB11反应不可能成为一种真正经济的聚变动力。”
“但是，尽管有这些挑战，”Fisch说，“pB11的反应还是很诱人的。”除了其他优点外，质子和硼-11都很容易获得，既自然又便宜。“唯一的问题是，这些挑战是无法克服的，”Fisch说。“还是?”
他的团队建议将质子和硼放在不同的温度和不同的位置，这将限制对周围环境的热损失，同时最大限度地提高聚变反应活性。关键在于:通过大力旋转等离子体，利用质子和硼之间巨大的质量差异，使较轻的质子大多位于温度较高的区域，而较重的硼离子则位于温度较低的区域。
Fisch说:“我们在这方面的想法非常渺茫。“但只要我们不违反热力学的任何基本定律，我们就会非常接近它!”-我认为我们有义务充分探索pB11融合的上行潜力。我们的建议是纯理论的，所以它不需要与实验相关的大量资源。然而，如果我们的想法成功了，可能不太可能，但如果成功了，我们将需要合作伙伴来帮助我们通过实验探索关键的不确定性。”
他继续说:“但是，即使在建立实验之前，我们也需要合作伙伴，可能是等离子体物理专业之外的合作伙伴，来帮助推进我们的概念。在pB11聚变过程中必须面对新的、跨学科的、工程上的考虑。例如，为了解决有效地再循环作为x射线的能量这一重要问题，我们希望除了PPPL在等离子体物理学方面的专业知识外，还能从各个大学院系的物理学家和工程师的专业知识中受益。”
Fisch的团队目前包括两个博士后，Ian Ochs和Elijah Kolmes，以及两个研究生，Mikhail Mlodik和Tal Rubin。奥克斯和科尔姆斯是2022年从普林斯顿大学毕业的天体物理学博士。他们的论文都由菲什指导，主题似乎与pB11项目相距甚远，但却提供了一些关键的理论基础。
“pB11问题让我们发现了许多基础物理问题，同时挑战我们解决具有巨大潜力的实用难题，”科尔姆斯说，他也于2015年在普林斯顿大学完成了物理学本科学位。“不管我们成功与否，我们肯定会发现有趣的事情。此外，这个团队是愉快的工作。这是一个非常友好、协作的环境。”
奥克斯是普林斯顿大学研究生的最高荣誉——雅各布斯研究员(Jacobus Fellow)，他对此表示赞同:“这是一个合作多年的团队。即使当我们不得不从聚集在黑板前转向聚集在Zoom上时，我们也从未失去密切的协作和支持感，这使我们能够结合每个人的独特技能和知识库，以解决困难和复杂的问题。这种团队合作的精神体现在该集团出版的大量合著出版物上。我们非常高兴能利用这个坚实的基础来解决聚变研究中最大的挑战之一:真正清洁的、无中子聚变能源。”
这项研究得到了能源高级研究计划局(ARPA-E)的支持，该机构推进了高潜力、高影响力的能源技术，开发出全新的能源生产、储存和使用方式。OPEN 2021研发项目旨在开发颠覆性技术，以加强该国的先进能源企业。