近日，南京大学物理学院崔著钫课题组在氢硼（p-¹¹B）聚变反应截面、反应率、能量平衡及应用前景评估研究中取得新进展。基于最新实验测量，课题组建立了覆盖 0–10 MeV 能区的高精度 p-¹¹B 反应截面解析参数化，系统评估了其热核反应率及不确定度，并重新审视了 p-¹¹B 等离子体的能量平衡问题。相关成果以“Revisiting p-¹¹B Fusion: Updated Cross-sections, Reactivity, and Energy Balance”为题，于10月22日在线发表于可控核聚变领域权威期刊Nuclear Fusion。

　　与主流的氘-氚（D-T）路线不同，p-¹¹B聚变主要产生带电的α粒子而几乎没有高能中子（材料活化问题大幅缓解）、燃料丰富且无毒无放射性，还为直接发电提供了可能，因而长期被视为聚变能源的“圣杯”。但p-¹¹B的反应率远低于D-T，点火需要数百keV量级的离子温度（D-T 约 20 keV）。在如此高的温度下，电子韧致辐射损失急剧增大。自上世纪70年代以来，“p-¹¹B 等离子体聚变功率无法超越其韧致辐射损失”的论断反复出现，成为该路线最受质疑的物理障碍。

图1 0–10 MeV 能区的 p-¹¹B 反应截面

　　上述评估主要建立在反应截面与反应率数据之上，而反应率是一切聚变方案进行增益与点火评估的最底层输入。课题组首先建立了纳入最新实验数据的 0–10 MeV 高精度截面参数化，整体拟合优度较高，平均相对偏差基本在实验不确定度以内。该参数化形式简洁、数值高效，可供聚变模拟与装置设计直接使用。接着，量化了两个关键共振对热核反应率的影响，发现由于由于 Gamow 窗的指数抑制，新观测到的4.7 MeV共振在0.4 MeV以下对反应率的影响可以忽略，因而并不改变能量平衡的判断，但当离子温度进入更高区间时其贡献将逐渐显现。而起主导作用的0.6 MeV共振峰值强度改变 ±10%（当前实验不确定度量级），反应率在 0.1–0.4 MeV 温区变化 3–5%，与现有各家反应率评估之间的分歧幅度相当。这一结果将“各家 p-¹¹B反应率为何不一致”归结为一个具体、可测量的问题，为下一代核物理实验提供了方向：0.6 MeV共振区更高精度的截面测量。随后，通过求解电子能量平衡方程得到自洽电子温度，发现在此条件下，聚变功率密度在离子温度约 0.17–0.38 MeV 区间超过韧致辐射损失密度，出现了一个“正能量窗口”；而且在 0.6 MeV 共振 ±10% 的乐观与保守边界情形下，窗口结构保持稳健，因此就韧致辐射约束而言，p-¹¹B聚变并非不可行。课题组同时强调，实现并维持数百 keV 离子温度与电子-离子温度分离，仍对等离子体约束方案提出了苛刻的要求，目前而言相关窗口应理解为量级层面的物理判断而非工程指标。

图2 p-¹¹B 等离子体的能量平衡

　　Nuclear Fusion创刊于1960年，是由国际原子能机构支持、英国物理学会出版社出版的旗舰学术期刊，也是可控核聚变与等离子体物理领域历史最悠久、影响力最大的学术期刊之一，不仅发表了许多奠基性成果，还长期引领着国际聚变研究的前沿方向。据期刊数据库检索，这是该刊创刊以来首篇以南京大学为署名单位的论文。

　　该研究由南京大学物理学院师生完成：博士生王弘毅为论文第一作者，硕士生李煜琦和吴迁博士做出了重要贡献，崔著钫为通讯作者。研究得到江苏省自然科学基金（BK20220122）、中国博士后科学基金（2024M751369）、国家自然科学基金（12233002）以及江苏省卓越博士后计划（Jiangsu Funding Program for Excellent Postdoctoral Talent）的资助，江苏西里西科技为项目提供了计算支持。

　　论文链接（开放获取）：https://doi.org/10.1088/1741-4326/aeb818