物理學家們在一個多世紀前首次發現，氫氣融合成氦氣為太陽提供動力。研究人員花了很多年時間才揭開了恆星內較輕元素被粉碎成較重元素的秘密，並在此過程中釋放出能量。科學家和工程師們一直在研究太陽的核聚變過程，希望有一天能利用核聚變來產生熱量或電力。但是，以這種方式滿足我們的能源需求的前景仍然遙不可及。
相比之下，從核裂變中提取能量的過程相對較快。鈾中的裂變於1938年在德國被發現，直到1942年在芝加哥建造第一座核 "堆"，只用了四年時間。
目前，全世界大約有440個裂變反應堆在執行，這些反應堆加起來可以產生大約400千兆瓦的電力，並且零碳排放。然而，這些裂變工廠，儘管有其價值，卻有相當大的缺點。它們使用的濃縮鈾燃料必須保持安全。例如日本福島這樣毀滅性的事故，可能使一些地區無法居住。裂變廢物的副產品需要被安全地處理，而且它們的放射性會保持數千年之久。因此，政府、大學和公司長期以來一直在尋找核聚變來補救這些弊病。
在這些感興趣的各方中，美國國家航空航天局（NASA）是其中之一。該航天局對深空旅行有重大的能源需求，包括對月球和火星的探測和載人航天任務。60多年來，光伏電池、燃料電池或放射性同位素熱電發電機（RTG）一直為航天器提供著電力。放射性同位素熱電發電機（RTG）依靠不裂變的鈽-238衰變時產生的熱量，已經顯示出極好的壽命。例如，兩個旅行者號探測器都使用這種發電機，並且在發射後近45年仍在執行。但是這些發電機將熱量轉化為電能的效率大約為7.5%。而現代航天器需要更多更高效的電力，而不是一個合理大小的RTG所能提供的。
一個有希望的替代方案是晶格約束核聚變（LCF），這是一種核燃料被約束在金屬晶格中的核聚變。這種約束鼓勵帶正電的核融合，因為導電金屬的高電子密度降低了兩個核在靠近時相互排斥的可能性。
氘化鉺（化學符號ErD3）被放入拇指大小的小瓶中，如2018年6月20日的這組實驗樣品所示的，小瓶在實驗前被排列好，金屬上面有抹布，以便在實驗中保持金屬的位置。金屬已經開始開裂和碎裂，表明它已經完全飽和了。
小瓶被倒置以使金屬與伽馬射線束對齊。伽馬射線使透明玻璃變成了琥珀色。
美國宇航局研究中心的科學家和工程師正在研究這種方法是否有一天可以提供足夠的動力，例如在火星表面操作小型機器人探測器。LCF將消除對諸如濃縮鈾等裂變材料的需求，這些材料的獲取成本很高，而且難以被安全處理。與其他利用核聚變的策略相比，LCF有望做到成本更低、體積更小、更安全。隨著技術的成熟，它也可以在地球上找到用途，例如用於個人建築的小型發電廠，這將減少對化石燃料的依賴，提高電網的彈性。
物理學家一直認為核聚變應該能夠提供清潔的核電。畢竟，太陽是以這種方式發電的。但太陽有一個巨大的尺寸優勢。太陽的直徑接近140萬公里，其等離子體核心的密度是液態水的150倍，並被加熱到1500萬攝氏度，太陽利用熱量和重力迫使粒子聚集在一起，並保持其聚變爐的燃燒。
在地球上，我們缺乏以這種方式生產能源的能力。聚變反應堆需要達到燃料粒子密度、約束時間和等離子體溫度的臨界水平（以創造者約翰-勞森的名字命名的勞森標準），以實現淨正能量輸出。但是而到目前為止，還沒有人做到這一點。
點燃聚變之火
在晶格約束核聚變（LCF）中，一束伽馬射線被射向飽和了氘核的鉺[如圖]或鈦的樣品。偶爾，足夠能量的伽馬射線會將金屬晶格中的一個氘核分解成其組成的質子和中子。
中子與晶格中的另一個氘核碰撞，將其自身的一些動量傳給了氘核。被電子遮蔽的氘核現在有足夠的能量來克服庫侖屏障，而庫侖屏障通常會把它從另一個氘核中排斥出去。
氘核-氘核聚變
當高能氘核與晶格中的另一個氘核融合時，它可以產生一個氦-3核（helion）並放出有用的能量。一個剩餘的中子可以為其他地方的另一個高能氘核提供推動力。
或者，兩個氘核的融合可以產生一個氫-3原子核（氚）和一個剩餘的質子。這個反應也會產生有用的能量。
剝離和OP反應
在晶格約束核聚變中的另一個可能的反應會發生，如果一個鉺原子反而撕裂了高能氘核，並吸收了質子。額外的質子使鉺原子變成銩，並釋放出能量。
如果鉺原子吸收了中子，它就變成了一種新的鉺同位素。這是一個奧本海默-菲利普斯（OP）剝離反應。來自斷裂的氘核的質子會加熱晶格。
核聚變反應堆通常利用兩種不同的氫同位素：氘（一個質子和一箇中子）和氚（一個質子和兩個中子）。它們被融合成氦核（兩個質子和兩個中子），這也被稱為α粒子，還有剩下一個未結合的中子。
現有的核聚變反應堆依靠所產生的α粒子以及在其產生過程中釋放的能量來進一步加熱等離子體。然後，等離子體將驅動更多的核反應，最終目的是提供一個淨功率增益。但這是有限制的。即使在反應堆能夠創造的最熱的等離子體中，α粒子大多會跳過額外的氘核，而不會傳遞很多能量。為了使核聚變反應堆獲得成功，它需要在α粒子和氘核之間創造儘可能多的直接撞擊。
在20世紀50年代，科學家們創造了各種磁約束核聚變裝置，其中最知名的是安德烈-薩哈羅夫的託卡馬克和萊曼-斯皮策的恆星儀。拋開設計細節上的差異，每個裝置都試圖實現幾乎不可能的目標。將氣體加熱到足以成為等離子體，並以磁力擠壓它以點燃核聚變，同時所有這些都不會讓等離子體逃逸。
慣性約束核聚變裝置在20世紀70年代隨後出現。它們使用鐳射和離子束，在直接驅動的內爆中壓縮目標的表面，或在間接驅動的內爆中為內部目標容器提供能量。與磁約束反應不同的是，慣性約束反應可以持續幾秒鐘甚至幾分鐘（也許有一天是無限期的），而慣性約束核聚變反應在目標分解之前持續不到一微秒，從而結束反應。
這兩種型別的裝置都能產生核聚變，但迄今為止，它們都無法產生足夠的能量來抵消啟動和維持核反應所需的能量。換句話說，進入的能量比出來的多。混合方法，統稱為磁慣性核聚變，面臨同樣的問題。
質子。帶正電的質子（與中子一起）構成了原子核。當質子在氘核剝離反應中被鉺原子吸收時，可能會發生晶格約束聚變（LCF）的一個組成部分。
中子：帶中電的中子（與質子一起）構成了原子核。在聚變反應中，它們將能量傳給其他粒子，如氘核。它們也可以在奧本海默-菲利普斯反應中被吸收。
鉺和鈦。鉺和鈦是晶格約束聚變（LCF）的首選金屬。與所涉及的其他粒子相比，它們相對巨大，可以容納氘核，並將它們相互遮蔽。
目前的核聚變反應堆也需要大量的氚作為其燃料混合物的一部分。氚的最可靠來源是裂變反應堆，這在某種程度上違背了使用聚變的目的。
這些技術的基本問題是，反應堆中的原子核需要有足夠的能量，這意味著足夠熱，以克服庫侖力屏障，即帶正電的原子核相互排斥的自然趨勢。由於庫侖力屏障，融合的原子核有一個非常小的融合截面，這意味著兩個粒子融合的機率很低。你可以透過將等離子體溫度提高到1億℃來增加截面，但這需要越來越多的努力來限制等離子體。目前的情況是，經過數十億美元的投資和幾十年的研究，我們稱之為 "熱核聚變"，仍然有很長的路要走。
在地球上實現熱核聚變的障礙確實是巨大的。正如你可以想象的那樣，它們在航天器上會更加不堪重負，因為航天器上不能攜帶托克馬克或恆星儀。裂變反應堆正被視為一種替代方案。在2018年，美國宇航局在內華達國家安全基地成功測試了千兆（Kilopower）裂變反應堆，使用的鈾235核心大約有紙巾卷那麼大。千兆（Kilopower）反應堆可以產生高達10千瓦的電力。缺點是，它需要高濃縮鈾，這將帶來額外的發射安全和安保問題。另外這種燃料的成本也很高。
但是，即使傳統的熱核聚變方法不成功，核聚變仍然可以發揮作用。晶格約束聚變（LCF）技術可能足夠緊湊、足夠輕、足夠簡單，可以為航天器服務。
氘是核內有一個質子和一箇中子的氫（只有質子的氫是氕）。氘的原子核被稱為氘核，對晶格約束聚變（LCF）至關重要。
氘原子的原子核。氘核對晶格約束聚變（LCF）至關重要--當一個有能量的氘核撞上晶格中的另一個時，實際的核聚變就會發生。它們也可以在剝離反應中被分解。
氫-3（氚）。氘-氘核聚變可能產生的一種粒子，與剩餘的質子一起。氚的原子核中有一個質子和兩個中子，這也被稱為三子。
氦-3：由氘-氘核聚變產生的一種可能的粒子，與一個剩餘的中子一起。氦-3的原子核中有兩個質子和一箇中子，它也被稱為氦核。
阿爾法粒子。一個正常氦原子的核心（兩個質子和兩個中子）。阿爾法粒子是典型的聚變反應堆的一個常見結果，它經常將氘和氚粒子粉碎在一起。它們也可以從氘核對晶格約束聚變（LCF）反應中出現。
伽馬射線。極高能量的光子，用於透過分解氘來啟動金屬晶格中的核聚變反應。
晶格約束聚變（LCF）是如何工作的? 我們之前提到過氘，氫的同位素，原子核中有一個質子和一箇中子。在我們的實驗中，氘金屬：鉺和鈦已經被氘或被剝離電子(氘核)的氘原子“飽和”了。這是可能的，因為金屬自然存在於一個規則間隔的晶格結構中，這在金屬原子之間創造了同樣規則的槽，以便氘核巢狀。
在託卡馬克或恆星儀中，熱等離子體的密度被限制在10的14次方個每立方厘米的氘原子。慣性約束核聚變裝置可以暫時達到10的26次方個每立方厘米的氘原子的密度。事實證明，像鉺這樣的金屬可以無限期地保持每立方厘米近10的23次方個每立方厘米的氘原子的密度。這個遠遠高於在磁約束裝置中可以達到的密度，而只比在慣性約束裝置中達到的密度低三個數量級。重要的是，這些金屬在室溫下可以容納這麼多的離子。
飽含氘核的金屬形成一個帶中性電荷的等離子體。金屬晶格限制並對氘核進行電子遮蔽，使每個氘核無法 "看到 "相鄰的氘核（它們都帶正電）。這種遮蔽增加了更多直接命中的機會，這進一步促進了聚變反應。如果沒有電子遮蔽，兩個氘核將更有可能相互排斥。
利用一個遮蔽了密集的冷氘子等離子體的金屬晶格，我們可以使用所謂的Dynamitron電子束加速器來啟動聚變過程。電子束擊中鉭目標併產生伽馬射線，然後照射含有氘化鈦或氘化鉺的拇指大小的小瓶。
當足夠能量的伽馬射線，大約2.2兆電子伏特（MeV）擊中金屬晶格中的一個氘核時，氘核就會分裂成其組成的質子和中子。釋放的中子可能與另一個氘核相撞，使其加速，就像檯球杆撞擊球時使其加速一樣。這第二個高能量的氘核隨後會經歷兩個過程中的一個：屏棄核聚變或剝離反應。
在遮蔽聚變中，我們在實驗中觀察到，高能氘核與晶格中的另一個氘核融合。聚變反應將產生一個氦-3核和一個剩餘的中子，或者一個氫-3核和一個剩餘的質子。這些核聚變產物可能與其他氘核融合，產生一個α粒子，或與另一個氦-3或氫-3核融合。這些核反應中的每一個都會釋放能量，幫助推動更多的核聚變例項。
在剝離反應中，像我們實驗中的鈦或鉺這樣的原子從氘核中剝離出質子或中子，並捕獲該質子或中子。鉺、鈦和其他較重的原子優先吸收中子，因為質子被帶正電的原子核所排斥（稱為奧本海默-菲利普斯反應）。理論上是可能的，儘管我們還沒有觀察到，電子遮蔽可能允許質子被捕獲，將鉺轉化為銩或將鈦轉化為釩。這兩種剝離反應都會產生有用的能量。
目前的情況是，經過數十億美元的投資和幾十年的研究，這些方法，我們稱之為 "熱核聚變"，仍然有很長的路要走。為了確定我們在氘化鉺和氘化鈦的小瓶中確實產生了核聚變，我們使用了中子光譜學。這種技術可以檢測出聚變反應產生的中子。當氘核聚變產生一個氦-3核和一箇中子時，該中子的能量為2.45MeV。因此，當我們檢測到2.45MeV的中子時，我們知道核聚變已經發生。這就是我們在《物理評論》C刊上發表初步結果的時候。
電子遮蔽使它看起來好像氘核在1100萬℃的溫度下發生了融合。在現實中，金屬晶格仍然比這個溫度低得多，儘管它在氘核融合時從室溫中加熱了一些。
總的來說，在晶格約束聚變（LCF）反應中，大部分的加熱發生在僅幾十微米的區域。這比磁約束或慣性約束核聚變反應堆的效率高得多，後者將整個燃料量加熱到非常高的溫度。晶格約束聚變（LCF）反應不是冷核聚變。它仍然需要高能氘原子，並可以使用中子來加熱它們。然而，晶格約束聚變（LCF）反應也消除了許多阻礙其他核聚變計劃成功的技術和工程障礙。
儘管我們一直在使用的中子反衝技術是將能量轉移到冷氘原子的最有效手段，但從Dynamitron生產中子是耗能的。還有其他更低能量的產生中子的方法，包括使用同位素中子源，如鋂-鈹或鉲-252，來啟動反應。我們還需要使反應能夠自我維持，這可能需要使用中子反射器將中子反彈到晶格中，碳和鈹是常見的中子反射器的例子。另一個選擇是將聚變中子源與裂變燃料結合起來，以利用兩個世界的最佳優勢。不管怎麼說，為了提高這些格子密閉核反應的效率，還需要對工藝進行更多開發。
科學家還透過泵送氘氣透過鈀銀合金管的薄壁，以及透過電解法給鈀載入氘氣來觸發核反應。在後者的實驗中，科學家已經檢測到了快中子。電解裝置現在正在使用上面提到的相同的中子光譜學探測方法來測量這些中子的能量。科學家們得到的能量測量結果將告訴研究人員產生這些能量的核反應種類。
與此同時美國加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員，在谷歌研究的資助下，用一個類似的電子篩查核聚變裝置取得了有利的結果。位於馬里蘭州的美國研究人員也同樣使用電化學方法獲得了令人鼓舞的初步結果。還有即將舉行的會議：5月在美國克利夫蘭舉行的美國核學會空間核技術和新興技術會議以及7月在加州山景城舉行的專注於固態能源的國際冷聚變24會議。
冷聚變的任何實際應用都需要高效、自持的反應。研究人員的工作只是朝著實現這一目標邁出的第一步。如果反應速率能夠被大幅提高，LCF可能會為產生清潔的核能開啟一扇全新的大門，既適用於太空任務，也適用於在地球上可以使用它的許多人。
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