近日，莫斯科物理技术学院和俄罗斯科学院高温联合研究所的物理学家在等离子体物理和受控核聚变领域的基础项目上宣布了一项重大研究成果。这项研究在无中子(不释放中子)质子束流研究方面取得了突破性进展，特别是针对硼核聚变反应，为未来创造清洁能源奠定了坚实基础。
在莫斯科物理技术学院 (MIPT)，他们进行了一项质子-硼核聚变研究，这种核聚变不会发射中子。/普林斯顿等离子体物理实验室
该研究成果已发表在《物理学前沿(聚变等离子体物理学)》杂志上。近几十年来，质子-硼聚变反应因其有望成为“清洁”能源且不会产生危险中子辐射而备受关注。然而，这一反应的研究一直面临巨大挑战，特别是需要具有极端参数的等离子体来获得启动反应所需的足够高粒子能量(约100 keV及以上)。
从2005年V.S. Belyaev及其同事的开创性工作开始，科学家们一直致力于使用激光实现质子-硼聚变反应。近年来，尽管在激光无中子质子硼研究方面取得了显著进展，但实现质子硼合成的其他方法也逐渐受到重视。特别是，俄罗斯科学家在基于纳秒真空放电(NVD)的微型装置中首次实现了质子和硼离子的加速与约束，并从质子-硼反应中成功释放出了α粒子。
在此基础上，俄罗斯科学家进一步研究了NVR(纳秒真空放电反应器)中的质子-硼聚变反应机制，旨在优化条件以提高α粒子的产量。他们使用完整的电动力学代码和粒子胞内(PiC)方法进行了热等离子体模拟，详细研究了振荡NVR等离子体中质子-硼反应的过程。科学家重点研究了虚拟阴极的尺寸、核反应发生的领域以及它对不同阳极和阴极几何形状的阿尔法粒子产量的影响。
(a)t = 30 ns 期间阳极的几何形状以及阳极空间中选定的质子组(索引 r)和硼离子(y)的轨迹; (b)t = 10 ns 时虚拟阴极的势阱; (c) 选定的质子群和硼离子在振荡过程中的能量随时间的变化; (d)所有粒子(包括质子-硼聚变反应产物)的速度随其半径位置的变化。由于阳极空间中电子的减速和加速，在r≤0.25cm的区域内形成虚拟阴极; (e)基于粒子内模拟结果的合成反应数量随时间的变化; (f)三个固定值z=2.0时沿半径的电位变化; t = 10 ns 时放电轴上的 2.5 和 3.0 厘米 / Frontiers in Physics
通过模拟分析，科学家们发现之前实验中使用的电极几何形状并非最佳。他们发现，如果阳极的体积增加，即发生核反应的空间部分增大，反应次数就会增加。这意味着直径更大的阳极可以让更多的质子和硼离子碰撞，从而增加成功聚变的机会和反应产量。当阳极半径增加到0.5厘米时，α粒子的输出达到最大值。
莫斯科物理技术学院无线电光子学系主任斯捷潘·安德烈耶夫表示：“我们在无中子反应领域开辟了一条新途径，证明了质子-硼热核反应无需借助激光或质子束等外部光源即可实现。了解这种反应的机制将为创造安全高效的能源开辟道路。”
根据建模结果，科学家们得出一个总体结论：形成更大的势阱(半径更宽，沿放电轴拉长)，其中质子和硼离子的振荡更加清晰，可以明显提高α粒子的产量。这一发现为质子-硼聚变技术的实际应用开辟了新的可能性。
该研究的下一步将包括进一步的实验和额外的计算机模拟，以更深入地了解热核聚变装置的参数对优化核聚变过程的影响。
