一、晶格约束聚变
晶格约束聚变（Lattice Confinement Fusion，简称LCF）是一种新型的核聚变技术。与传统的核聚变方法不同，LCF不依赖于高温高压环境来实现核聚变。在LCF中，燃料（通常是氘，一种氢的同位素）被嵌入到金属的晶格结构中。金属晶格中的高电子密度可以降低核之间的相互排斥力，从而促进核聚变的发生。
二、反应过程
我们讨论的氘是氢的一种特殊形式，它的原子核由一个质子和一个中子组成。在实验里，铒和钛这两种金属能够吸收大量的氘，这得益于它们的晶格结构，为氘核提供了理想的存放空间。
在托卡马克装置或恒星器这类磁约束聚变设备中，高温等离子体的密度被限制在每立方厘米10^14个氘核。而惯性约束聚变设备则能在瞬间达到每立方厘米10^26个氘核的密度。有趣的是，像铒这样的金属能够持续保持近每立方厘米10^23个氘核的密度——这远远超过了磁约束聚变设备所能达到的密度，并且仅比惯性约束聚变设备的密度低三个数量级。更为关键的是，这些金属能够在室温下保持如此高的离子密度。
当金属吸收了足够多的氘核后，会形成一种中性电荷的等离子体。金属晶格不仅限制了氘核的活动范围，还通过电子屏蔽作用，防止了氘核之间的相互“看见”（即由于同性电荷相互排斥）。这种屏蔽作用增加了氘核间直接碰撞的几率，从而促进了聚变反应的发生。如果没有电子屏蔽，两个氘核相互排斥的可能性会大大增加。
利用这种经过电子屏蔽、含有高密度冷氘等离子体的金属晶格，我们可以通过一种叫做Dynamitron电子束加速器的设备来启动聚变过程。电子束击中钽靶，产生伽马射线，这些射线随后照射含有钛氘化物或铒氘化物的小瓶。
当一个能量充足的伽马射线——大约2.2兆电子伏特（MeV）——击中金属晶格中的氘核时，该氘核会分解为其组成的质子和中子，如下图2
释放出的中子可能会与另一个氘核发生碰撞，将它自己的一些动量传递给氘原子。电子屏蔽的氘子现在有足够的能量来克服库仑势垒，库仑势垒通常会排斥另一个氘子，类似于撞球杆击球时的加速效果，如下图3
这个获得能量的氘核随后会经历两种可能的过程之一：屏蔽聚变或剥离反应。
屏蔽聚变：
在我们的实验中观察到的屏蔽聚变过程中，获得能量的氘核与晶格中的另一个氘核发生融合，即所谓的D-D聚变。这一聚变反应会产生一个氦-3核和一个剩余的中子，或者一个氢-3核和一个剩余的质子。这些聚变产物可能会与其他氘核融合，形成α粒子，或者与另一个氦-3或氢-3核融合。这些核反应都会释放能量，有助于推动更多的聚变发生，如下图4
剥离反应：
在剥离反应中，钛或铒等原子有能力从氘核中分离出质子或中子，并将其捕获。这些较重的原子更偏爱吸收中子，因为质子通常被原子核的正电荷排斥，这一现象被称为奥本海默-菲利普斯剥离反应（Oppenheimer-Phillips (OP) stripping reaction）。尽管目前还没有实际观察到，但从理论上讲，电子屏蔽可能有助于质子的捕获，使得铒原子转变成铥，或钛原子转变成钒。无论是哪种剥离反应，它们都能有效地释放能量如下图5
三、机遇与挑战
晶格约束聚变（LCF）的研究已经取得了初步成果，为启动核聚变反应提供了新的可能性，这在科学界引起了广泛关注，并为未来的深入研究铺平了道路。然而，要实现具有实际应用价值的功率水平，反应速率的显著提升是必不可少的。目前，研究团队正在探索多种可能的反应增强方法，以期达到这一目标。
项目的首席研究员，Bruce Steinetz博士表示“在NASA Glenn研究中心，我们组建了一个才华横溢的跨学科团队，他们专注于研究在高度氘代金属中观察到的异常温度变化和材料特性的转变。”
同时，行星科学首席技术专家Leonard Dudzinski也强调了团队合作的重要性：“在将这一技术转化为实际应用之前，我们需要解决一系列重大的工程挑战。但我相信，通过团队的共同努力和创新思维，我们能够克服这些障碍。”
四、未来的用途
太空领域：
美国宇航局研究中心的科学家和工程师正在研究这种方法是否有一天可以提供足够的动力，例如在火星表面操作小型机器人探测器。LCF将消除对诸如浓缩铀等裂变材料的需求，这些材料的获取成本很高，而且难以被安全处理。与其他利用核聚变的策略相比，LCF有望做到成本更低、体积更小、更安全。
小型发电站：
随着技术的成熟，它也可以在地球上找到用途，例如用于个人建筑的小型发电厂，这将减少可以减少对煤炭、石油和天然气等化石燃料的依赖，这些燃料不仅有限，而且其燃烧会产生温室气体，加剧全球气候变化；同时，分布式的小型发电站可以在电网出现问题时提供备用电源，增加电网的韧性和可靠性，减少大规模停电的风险。
物理学家们认为核聚变有潜力成为一种清洁能源，就像太阳那样通过核聚变产生能量。但目前我们还没有掌握在如此巨大规模上产生能量的技术。
参考链接：
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/475692833
- https://spectrum.ieee.org/latticeconfinementfusion
- https://www1.grc.nasa.gov/space/science/lattice-confinementfusion/
- https://spectrum.ieee.org/nuclear-fusiontokamak-not-included