2月5日，SciTechDaily报道了ZAP Energy的科研人员利用FuZE装置在测量中子各向同性方面取得重要进展，确认其发生了热核聚变反应，并证明ZAP Energy的方法可以扩展到更高的能量输出，这也增强了对下一代FuZE-Q设备性能潜力的信心。相关论文已发表在权威期刊《Nuclear Fusion》上，题目为《Time-resolved measurement of neutron energy isotropy in a sheared-flow-stabilized Z pinch》。
Z箍缩是历史最悠久的聚变技术之一，最早可以追溯到1950年代，当时的英国ZETA装置科研人员以为他们成功实现了聚变反应。然而，经过进一步的分析和验证，科学家们发现这些中子信号并非来自聚变反应，而是由束流与靶材料相互作用产生的中子。这一起"乌龙"事件对当时的物理学界来说，可以说是一场失望和一场公关灾难。
一、ZAP Energy
ZAP Energy成立于2017年，总部位于美国华盛顿州埃弗利特，是一家专注于开发紧凑型、低成本且可扩展的聚变能源技术的公司。公司采用独特的“剪切流稳定Z箍缩（Sheared-Flow-Stabilized Z-Pinch）技术，目标在未来十年内建造一座示范发电厂，并在2030年代初建造首座商业发电厂。由于无需昂贵超导磁体和高功率激光器，装置的复杂性和成本也将会显著降低。
Century：ZAP Energy最新推出的高重复率、液态金属冷却的聚变测试平台，旨在模拟未来聚变发电厂的操作条件。
FuZE（聚变Z箍缩实验）系列装置：FuZE装置目前是ZAP Energy的核心实验平台，能够产生高达3700万摄氏度的等离子体温度，这相当于太阳核心的温度。装置利用剪切流稳定Z箍缩技术，通过动态流动延长等离子体的稳定时间，从而实现聚变所需的高温和高压条件。FuZE-Q是FuZE装置的升级版本，具有更高的能量存储能力和更高的温度及密度扩展能力。
二、各向同性
“各向同性”（Isotropy）是一个物理学术语，用来描述一个物体或系统在所有方向上具有相同的性质或行为。换句话说，各向同性意味着在任何方向上观察或测量时，系统的性质都不会因方向的不同而改变。在聚变研究中，中子能量各向同性是一项关键测量方法，用于评估中子从设备发射的均匀程度。这种均匀性至关重要—当聚变等离子体是各向同性的时，它们表明稳定的热等离子体可以放大以产生更大的能量。相比之下，各向异性等离子体发射中子不均匀，表明不稳定，可能不支持可持续聚变。
中子各向同性测量的关键方面之一是区分热聚变过程和束靶聚变过程。当加速到显著速度的氢原子核撞击静态原子核时，就会发生束靶聚变。这种方法虽然能够产生一些能量，但不太理想，因为它表明等离子体处于不平衡状态，使实现净正能量产生的途径复杂化。因此，了解中子的各向同性有助于深入了解器件内发生的聚变过程的效率。
综上所述，中子各向同性是有助于确定聚变反应稳定性和效率的关键指标。
三、实验方法
为了测量中子发射的能量各向同性，科研人员在相对于FuZE设备中心的两个位置部署了塑料闪烁体探测器，并使用两个探测器系统之间观察到的能量分布的偏移来确定最可能的氘核束能量。中子是通过闪烁体内的中子-质子弹性散射来测量的。实验脉冲能谱被拟合到使用蒙特卡罗N粒子代码（MCNP）模拟的质子反冲能分布。
四、实验结论
在433次放电活动中，FuZE设备上两个位置的中子能量测量已被用于量化越来越大的中子产量的氘核束能量。通过将两个不同位置记录的数据拟合到模拟光谱，氘核束能量被确定为小于7.4±5.6（统计）±3.7（系统）keV。已经实施了脉冲形状判别探测器来验证模拟的伽马贡献，并且已经确定了与脉冲堆积相关的系统误差。
时间分辨测量显示，在后期束靶贡献增加，这表明在辐射事件结束时可能存在不稳定性活动。然而，大部分中子产量是在中子能量各向同性的时间内产生的。目前正在开发的探测器系统的升级版将在每个阵列中部署更多的闪烁体，从而减少建立相当低统计不确定度所需的放电次数。
有趣的是，该论文还指出，在每次发射结束时，中子变得越来越各向异性并失去了均匀性。研究人员表示，这可能是因为箍缩在完全分解并停止完全产生聚变之前变得不稳定。了解这一阶段可能会更好地理解如何防止不稳定性缩短聚变时间，并进一步提高等离子体的持续时间和性能。
五、未来展望
ZAP Energy的首席科学家兼联合创始人Uri Shumlak解释说：“从本质上讲，这种测量表明等离子体处于热力学平衡状态，这意味着我们可以将等离子体的大小增加一倍，并期望存在同样的平衡。”
该研究标志着人们胜利回归了利用自然的基本力量追求清洁、几乎无限的能源的潜力。中子各向同性数据不仅提高了ZAP Energy研究的可信度，还为其他聚变技术的未来发展前景指明了方向。随着该领域的不断成熟，对有效聚变反应堆的追求比以往任何时候都更近，将希望转化为应对全球能源需求的切实解决方案。
据悉，ZAP Energy的研究团队计划使用FuZE-Q设备扩展他们的实验，该设备有望探索更高能量下的中子能量测量。
参考链接：
- https://scitechdaily.com/scientists-crack-a-major-fusion-puzzle-bringing-us-closer-to-unlimited-energy/
- https://bioengineer.org/unlocking-the-potential-of-fusion-the-breakthrough-in-neutron-generation/
- https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ada8bf/pdf