4月23日，伊朗研究团队在《Scientific Reports》上发表论文，创新性提出了一种双稠密等离子体焦点（Double Dense Plasma Focus）系统，通过集成高温超导（HTS）磁透镜来增强等离子体约束、抑制湍流并提高聚变效率，为紧凑型、低成本的惯性约束聚变（ICF）技术开辟了新路径。
一、DPF介绍
当前主流的核聚变技术分为两大类：即磁约束聚变与惯性约束聚变。
- 磁约束聚变（MCF）：如国际热核聚变实验装置（ITER），依赖强磁场长时间约束高温等离子体，但面临设备庞大、维护成本高的挑战；
- 惯性约束聚变（ICF）：如美国国家点火装置（NIF），通过激光或粒子束压缩燃料靶丸实现聚变，但存在能量耦合效率低、靶丸制备复杂等问题。
现阶段，能量损失、等离子体不稳定性和高昂的运行成本等难题长期制约着核聚变从实验室走向实际应用。而作为一种紧凑型装置，稠密等离子体焦点（DPF）兼具磁约束和惯性约束的特点。它利用洛伦兹力压缩等离子体形成高能密度的 “等离子体箍缩”，产生高速离子束和X射线，在短时间内达到聚变条件。其结构简单、成本低、可扩展性强，被视为极具潜力的替代方案。来自美国新泽西的LPP Fusion即采用此类技术路线。
二、双DPF系统
核心设计研究团队提出的双DPF系统，通过两个同轴DPF装置同步作用，显著提升了能量耦合效率。其核心设计包括：
- 对称布局：双DPF系统由两个同轴排列的3MJ DPF装置组成，分别位于DT（氘氚）燃料靶丸的两侧。每个DPF通过电容器组放电，产生高速等离子体流，经金属圆盘中心孔聚焦后，从两端同时压缩靶丸。这种对称设计可实现更均匀的径向压缩，提升靶丸压缩效率。
- HTS磁透镜：传统DPF的等离子体约束时间短（纳秒级），易受湍流影响。为此，研究团队引入高温超导磁透镜（如稀土钡铜氧化物REBCO超导材料），产生10-15T的强磁场，并将约束时间由从传统DPF的9.42纳秒延长至47.1纳秒。
- 协同预加热：DPF产生的X射线、中子与高能离子束共同作用于燃料靶丸，将靶丸预加热至10-20keV，降低后续压缩所需能量。
三、理论模拟与性能突破
研究团队通过磁流体动力学（MHD）模型和数值模拟，考虑了等离子体与磁场的相互作用、压力和速度等关键因素，仔细求解质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及麦克斯韦方程组，模拟出等离子体在双DPF系统中的行为。
模拟结果表明，与传统的单DPF配置相比，HTS辅助的双DPF性能显著提升，聚变功率输出从25MW提升到了75MW，电能输出从10MW增加至30MW。
四、实验验证计划
为验证理论构想，研究团队提出三阶段实验验证计划：
- 30kJ单DPF原型：目标是验证HTS磁场对等离子体约束的提升效果，能源转换效率，测量中子产量和等离子体参数。
- 双DPF协同测试：目标是同步驱动两个30kJDPF，测试靶丸压缩对称性和能量耦合效率。
- 全尺寸3MJ双DPF系统：目标是实现DT靶丸点火（10-20keV），验证能量收支平衡（Q≥1）。
五、挑战与展望
尽管双DPF系统展现出巨大潜力，但仍需攻克以下三个难题：
- HTS技术工程化：目前实验级HTS磁体的稳定性和成本尚需优化，需开发高效的低温冷却循环系统。
- 靶丸制备与定位：低温DT靶丸的批量生产、真空环境下的高精度定位与对齐技术。
- 等离子体不稳定性：尽管HTS抑制了主要模式，仍需进一步研究高频湍流对约束的影响。
论文第一作者S.M.Sadat Kiai表示：“双DPF系统为紧凑型聚变装置提供了新范式，其核心优势在于通过超导磁场和对称压缩的结合，突破了传统DPF的能量瓶颈。我们计划在未来5年内完成原理验证实验，为千瓦级聚变电源的研发奠定基础。”
这项研究为新颖的DPF驱动聚变概念奠定了理论基础，为未来的实验工作提供了结构化框架。随着等离子体约束、超导磁体技术和聚变诊断的进步，这种双DPF方法有望成为实现受控热核聚变以产生能源的可扩展、紧凑和高效的途径。
参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41598-025-96736-7