图1 P-11B反应图
位于加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF）的惯性约束反应堆，成功地利用激光和其他相关设备展示了一种无需中子参与的聚变反应的可能性。这种聚变方式要求燃料粒子具有更高的动能，但能够带来更高效的能源转换过程。目前，聚变研究主要集中于氘-氚（DT）反应，但最近通过激光技术进行的研究，为之前较少被探索的质子-硼（p-B）反应开辟了新的途径，如上图。
DT 反应的局限性
DT聚变的一个主要弱点是其产生的大量快中子通量，尽管这也正是其能量吸引力的来源。主要针对托卡马克装置的研究指出，“14.1 MeV的高中子通量会导致某些部件出现每原子100个位移的损伤程度。”这种中子与原子的首次碰撞会引发一连串的原子位移，迅速使DT反应堆面向中子的部件变脆，导致其性能发生突变。
领导这项研究的曼彻斯特大学材料系的Ed J. Pickering进一步警告说，目前还没有一种现有的候选材料能够完全适应反应堆的第一壁或增殖层。这表明，目前还没有找到适合连续运行商业DT系统的理想材料。
在DT反应堆中，燃料燃烧释放的80%能量以中子动能的形式存在，这些能量被包层吸收并转化为热能，包层内部流动着一种冷却剂。第二种冷却剂将这些热能带出，用于驱动连接到发电机的涡轮机。在这个能量转换过程中的所有损失，都会影响到QE的计算，QE是一个性能指标，代表系统产生的有用电力与其运行所需电力的比值。剩余20%的聚变能量由被等离子体约束的高能α粒子携带，以维持反应的连续性。
聚变增益的效率必须显著超过“收支平衡”或简单的“点火”。聚变能量的提取与加热和维持燃料所需的能量输入（QFus）之间的比值应当达到5或更高。
除了电网发电，DT反应堆的外部包容要求，包括由中子通量决定的能量提取过程，都使得这些系统在运输等更动态的应用环境中面临挑战。简而言之，辅助系统将消耗大量能源，同时氚的增殖和放射性废物处理也带来了额外的挑战。
质子-硼
除了氚之外，硼是一种在地球上极为丰富的元素——据美国地质调查局（USGS）估计，其储量高达12亿吨，并且它不具有放射性。在一种几乎不产生中子的质子-硼聚变反应中（见图1），生成的3个带正电的α粒子可以被磁场捕获，实现动能向电能的高效转换，这种方式比传统的热提取方法更为高效。
这种聚变反应在20世纪70年代由于其截面估计值不尽人意而被放弃。劳森判据比较了聚变反应在燃料内产生能量的速率与能量向环境损失的速率，该标准转而要求更长的约束时间和更高的等离子体密度（例如，nτ约为6×10^21 m^-3s），并且反应性在离子温度超过200 keV时达到峰值。硼的原子电荷高于氚，因此，由于离子和电子的碰撞以及相关的轫致辐射，这种聚变方案被认为在实现每单位体积所需的功率密度方面不切实际。
在天体物理学研究的简并等离子体中，某些电子状态之间的转换是禁止的。为了抵消轫致辐射——即带电粒子在被其他带电粒子偏转时由于减速而产生的电磁辐射，LPP Fusion的创始人Eric Lerner在2003年提出，聚变可以利用量子抑制效应来获得优势。在强磁场中，电子只能占据离散的或称为“朗道”的能量级，因此在这种碰撞中，只有极少的能量可以转移到电子上。他指出，“这种效应所需的大磁场只能通过密集等离子体焦点或激光来实现，这为p-11B聚变的这两种方法提供了另一个显著优势”。
另一种解决方案是保持离子和电子之间适当的温度差以限制轫致辐射。根据2022年的研究，实现p-11B聚变需要电子温度是离子温度的三分之一。在燃料中，激光加速的质子可以产生快速的α粒子，这些粒子通过与氦离子的散射，有助于将混合物加热到所需的温度差，从而实现聚变反应。
激光对质子-硼11聚变研究的影响
在过去20年里，激光聚变实验通过使用强皮秒和纳秒激光束在特制靶标中引发质子-硼11（p-11B）反应，为截面数据和相关反应性的持续改进做出了显著贡献。
在这些实验中，激光束直接照射到含有硼和氢杂质的靶标，或者是照射到一个能够发射质子束的装置，这些质子束随后被引导至硼靶（参见图2）。随着时间推移，激光诱导的聚变实验产生了出乎意料的大量α粒子，其产量范围从每立体弧度10^5个粒子到10^10个粒子不等。对于在反应中发射至基态0+的l=3的主要α粒子的轨道运动大小进行精确测量，这一测量结果最终促使科学家们对原有的截面数据进行了重新评估。
图2展示了一种精密的“投手-捕手”实验设置，该设置利用两个激光脉冲激发的快速质子束和硼等离子体进行实验。实验中，通过三个探测器对α粒子和质子进行同步诊断：CR-39、α粒子飞行时间(ToF)探测器、ARTP质谱仪以及BASTR成像板（上图）。随着硼靶从冷态转变为等离子体状态，其α粒子的产量变化分别由CR-39和ToF探测器记录并展示（下图）。
在2016年，Sikora和Weller的研究发现，与Nevins和Swain在2000年的早期值相比，反应性提高了15%。进一步的研究由Putvinski等人在2019年进行，他们发现在大约300 keV的能量水平下，反应性增加了20%。到了2023年，Tentori和Belloni通过计算得出，在相似的温度条件下，反应性可能提高30%至50%（见图3）。这些进展在功率密度方面的意义是，对不同质子能量下截面的新理解将质子-硼聚变推向了轫致辐射障碍的极限，甚至有可能达到或超越这一极限（见图4）。
图3. 板块(a)展示了Tentori和Belloni在2023年发现的p-11B反应性与Nevins和Swain在2000年计算的反应性的比较。(b)板块(a)中两条曲线的比率。
图 4. 使用 Putvinski、SV Ryutov、DD、Yushmanov、PN（2019）的新反应速率计算的 p-11B 聚变功率密度与使用 Nevis（1999）和 Nevins 和 Swain（2000）的数据和速率计算的 p-11B 聚变功率密度进行比较。注意轫致辐射极限。
2023 年，中国浙江大学聚变理论与模拟研究所的刘绍基等人通过分析上述核反应与靶密度的关系发现，“量子简并效应将增加聚变产额，这是由于束流质子的阻止本领降低所致。”
在这一前提下，刘提出了一种更精细的“投手-捕手”过程。在该过程中，激光脉冲首先产生一个致密的简并靶标，其中束缚电子和自由电子对质子阻止能力的贡献可以被完全忽略和显著降低。当质子束射向这个致密靶标时，将产生相应高发射的α粒子，其数量级显著增加。
P- 11B激光聚变内爆
澳大利亚HB11有限公司正在致力于实现p-11B激光聚变的“概念验证”。该公司在2017年由海因里希·霍拉（Heinrich Hora）共同资助，霍拉是新南威尔士大学悉尼分校的前教授，自20世纪70年代初以来一直在研究质子-硼激光聚变。HB11的目标是尽快将聚变能源引入电网。HB11得到了澳大利亚政府的强大财政支持，并且拥有遍布美国和欧洲的国际合作伙伴网络。在2023财年，能源部（DOE）向其美国子公司HB11 USA授予了一个INFUSE项目。
HB11的聚变研究策略包括设计氢-硼靶标、模拟和实验硼燃料的特性和行为，以及开发高能激光硬件。在当前阶段，为聚变实验准备合适的靶标至关重要。凭借全球顶尖硼化学家及其实验室的资源，澳大利亚团队能够制造包含二维硼烯的微结构和纳米结构硼的激光靶标。
在2023年，HB11参与了一项国际性的研究计划，该计划探索了一种在氮化硼基底上通过等离子体辅助化学气相沉积技术制备碳氢化合物等离子体聚合物薄膜的新方法。随后，这些样品在北爱尔兰贝尔法斯特女王大学的TARANIS激光器和捷克HiLASE的PERLA B激光器上进行了α粒子产额测试，其中在贝尔法斯特记录到了高达每立体弧度10^8个α粒子的最高发射率。
到了2024年4月，HB11与法国波尔多大学、波兰等离子体物理与激光微聚变研究所、德国GSI亥姆霍兹研究中心、希腊地中海大学和以色列索雷克核研究中心的科研人员合作，在布拉格的PALS激光设施进行了“状态方程”实验。PALS，布拉格阿斯特里克斯激光系统，是一种设计用于提供约3×10^16 W/cm^2目标辐照度的太瓦级碘激光器。
这些实验部分得到了欧洲PROBONO和LASERLAB V基金的支持，重点研究了在兆巴压力和十亿开尔文温度条件下，毫米级大小的含氮化硼靶材在约5×10^15 W/cm^2激光辐照度下的性质和行为（见图5）。
图 5. 用于氮化硼靶实验的 PALS 激光系统概览照片；碘光解离激光放大器是橙色管，而银灰色管是空间滤波器。
致密等离子焦点的回归
致密等离子体聚焦装置 (DPF) 是美国和俄罗斯于 20 世纪 60 年代首次独立制造的装置。在 DPF 中，电磁力产生、加速和挤压等离子体。
它是如何工作的？该装置由两个同轴圆柱形电极组成，一端绝缘，另一端开口（见图 6）。电极封闭在真空室内，轻元素燃料注入其中。阴极接地，阳极连接到快速开关，开关闭合时，释放电容器组积累的电流。开关闭合会在电极之间释放几千伏电压，产生由绝缘体增强的电场。在高压场中，气体电离。电流鞘层形成细丝，沿电极径向向下移动。鞘层在内电极末端坍缩时，导致等离子细丝聚集在一起，最终形成结节 - 密集的、磁约束的明亮和热区域或等离子体，持续时间为 100 亿分之一秒。等离子体团半径为数百微米，电子密度为10^24到10^26 cm^-3量级，同时发射 x 射线、伽马射线以及加速离子和电子束。强中子辐射表明等离子体团是聚变的有利环境。
图6. 致密等离子体聚焦（Dense Plasma Focus，DPF）装置的真空室（左图）以及DPF放电的概念图（右图）
在50到10^6焦耳的范围内，大型和小型DPF的性质本质上是相似的，这种扩展灵活性在过去导致人们对快速设计适应性聚变机抱有相当大的期望。
1970年，在意大利弗拉斯卡蒂DPF（密集等离子体焦点）设施的研究人员，由意大利国家研究委员会（NRC）和欧洲原子能共同体（Euratom）资助，证明了等离子体团内的聚变过程属于束靶类别，根据当时的原则，这不适合产生净聚变。DPF设备被限定在产生硬X射线和其他工业应用，包括自相矛盾地用于测试托卡马克关键部件的高能中子发射。
到了2023年，国际密集磁化等离子体科学委员会得出结论：“等离子体焦点被视为提供了一个反例，其中温暖磁约束等离子体目标是自然反复通过其中的高能离子束。这为科学界探索实现净聚变能量产生系统的新途径提供了一个独特的机会。”
“反复”是关键词，委员会的结论再次将DPF提升为聚变领域的重要竞争者。注意：在等离子体团内部，没有实验室中所指的靶和离子与中子束，这些术语分别指的是离子产物的推定速度分布。
激光与 DPF 相遇
新泽西州的LPP Fusion公司自2003年成立以来，在利用密集等离子体焦点（DPF）进行质子-硼11（p-11B）聚变研究方面积累了丰富经验。2019年，该公司实现了200 keV的等离子体温度，创下了等离子体纯度的最高记录。
DPF面临的一个主要挑战是，当峰值电流超过1 MA时，聚变产额的增长趋于平稳，导致其壁插效率没有随时间提升。为了促进等离子体团内的聚变过程，LPP Fusion正在转向使用更密集的气体填充。
LPP Fusion的Eric Lerner解释说：“更密集的等离子体会形成更小、寿命更短的等离子体团，但等离子体团的密度增加速度比其寿命减少的速度快。DPF方法的核心在于利用聚变等离子体的自然不稳定性，而不是抑制它们，这与许多传统工程实践相反。大多数机器都被设计成稳定运行，抑制不稳定性，但等离子体却无法这样处理。我们模仿自然，利用不稳定性以可靠的方式产生聚变等离子体，这对许多工程师和管理人员来说是一个更难理解的概念。”
在欧洲，波兰科学院核物理研究所在克拉科夫长期从事DPF和聚变研究。Marek Scholz教授指出，在反应过程中，“应在收缩阶段产生并压缩氢硼等离子体，同时维持PF装置的标准运行条件；这可以通过在恰当的时刻向PF系统中添加硼来实现。”
Scholz教授及其团队最近提出并计算了一项实验方案，在PF放电期间通过激光烧蚀机器阳极的硼靶同时进行等离子体掺杂。使用Nd:YAG激光产生的等离子体羽流将硼离子添加到放电阶段产生的氢离子中，这种方法相比快速气阀注入实现了更佳的同步性，从而改善了有利于聚变的条件（见图7和图8）。
图7. PF装置中的激光烧蚀实验：击穿阶段和氢等离子体层（PL）形成阶段（a），下行阶段（PL加速）和激光束（LB）与靶标相互作用的时刻（b），以及PL径向压缩和硼等离子体云（BC）自由膨胀阶段（c）。1—阴极，2—PF的阳极，3—硼靶，4—火花间隙，5—电容器组。
图 8. DPF 装置的真空室内放置有硼样品，并配有特制的带有透镜的真空法兰。
2022 年，欧盟推动了为期四年的 PROBONO 行动，即“PROtonBOronNuclear fusion”（质子硼酸核聚变）行动，旨在鼓励建立一个跨学科研究网络，将研究人员和创新者聚集在一起，在四年内研究他们选择的主题，单个项目每年可获得高达 150,000 欧元（163,000 美元）的资助。
基于p- 11B反应的灵活反应堆概念可能有利于将聚变能用于铁路发动机或船舶，最终决定以与20世纪初电力广泛应用相当的过程全面实施聚变能。