FUSION INFN项目：面向惯性约束应用的11B(p,α)2α核聚变反应研究与优化现状及展望

为解决传统氘氚聚变中中子辐射及燃料可持续性难题，FUSION INFN项目团队开展了基于激光等离子体的质子-硼（11B(p,α)2α）中子less聚变反应研究，通过创新靶材设计与诊断技术开发，成功提升了α粒子产率并实现了等离子体环境中粒子阻止能力的首次测量，为未来清洁聚变能源提供了关键技术支撑。

　　

在全球能源危机与可持续发展需求日益紧迫的背景下，核聚变能被视为解决未来能源问题的终极方案之一。目前主流的氘氚（D-T）聚变途径虽已实现能量增益突破，却面临三重严峻挑战：氚燃料在地球上极其稀缺且需通过中子辐照锂来增殖；高能中子导致反应堆结构材料活化产生放射性废物；中子辐射损伤制约装置寿命。这些因素促使科学界寻找无中子副产物的"圣杯式"聚变反应。

质子与硼-11同位素的核反应（¹¹B(p,α)2α）因其独特优势脱颖而出：使用稳定易得的天然同位素；反应产物仅为三个α粒子（Q值8.7 MeV），彻底规避中子辐射问题；α粒子带正电可直接能量转换，理论上可实现更紧凑的聚变装置。自2005年激光首次成功诱发该反应以来，实验观测到的反应产率提升现象超出理论预测，引发能源领域的广泛关注，促使私营企业（如Marvel Fusion、HB11 Energy）和科研机构加速研究进程。

意大利国家核物理研究院（INFN）与ENEA研究院于2022年联合启动FUSION项目（FUsion StudIes of prOton boron Neutron-less reaction in laser-generated plasma），这是INFN首次资助惯性约束聚变（ICF）领域的科学倡议。项目聚焦三大核心目标：开发增强反应速率的新型固体靶材；设计反应产物诊断新方法；首次实验测量等离子体环境中的质子与α粒子阻止能力。研究成果发表于《Laser and Particle Beams》期刊，为未来硼氢聚变能源应用提供关键技术支撑。

研究采用多学科交叉技术方法：利用PALS装置的高能长脉冲激光（1315 nm/300 J/300 ps）诱发等离子体；开发包含硼化树脂靶、泡沫耦合靶、纳米颗粒靶、电纺纤维靶和氨硼烷靶等五类新型燃料靶材；采用飞行时间法（TOF）结合金刚石探测器阵列与CR39固体径迹探测器实现粒子鉴别；通过Thomson谱仪解析α粒子能谱；借助单事件测量模式结合微束束流技术测定等离子体阻止能力。

靶材开发与表征

研究团队成功研制五类创新型靶材：卡塔尼亚大学开发的硼化树脂靶（树脂与元素硼2:1重量比），SEM与拉曼光谱证实硼颗粒（<1μm）均匀包覆树脂基体；ENEA与FBK研究所制备的泡沫耦合靶，在硅氢硼基底上沉积密度15 mg/cm3–1 g/cm3的泡沫氢源层；ELI-beamlines开发的纳米颗粒靶，通过气体聚集簇源合成130-650 nm己烷纳米颗粒沉积于氮化硼基底，形成密度0.1 g/cm3的介孔结构；莱切大学与IMM-CNR优化的电纺PMMA纤维靶（浓度375 mg/ml），实现无缺陷的定向/随机取向纤维结构；英国CLF实验室开发的氨硼烷（BNH?）固体靶，压缩成0.78 g/cm3的稳定碟片，实验验证其产生6×10? α粒子/J/sr的产率。

诊断技术突破

项目研制了高灵敏度诊断工具：Tor Vergata大学开发的金刚石探测器矩阵，采用35μm本征CVD金刚石层搭配不同厚度铝滤片（3-25μm），成功区分2.5 MeV质子与10 MeV α粒子信号；ENEA设计的抗电磁脉冲Thomson谱仪，采用400 mT磁场与>1 MV/m电场，实现A/Z=2粒子抛物线轨迹分离，通过CR39阵列增强鉴别能力。这些设备在PALS实验中成功捕获到反应产物的飞行时间信号。

等离子体阻止能力测量

项目搭建了独特的束流-等离子体交叉装置：采用6 ns激光脉冲产生硼化等离子体羽流，与单粒子模式运行的Singletron加速器微束（束团宽度<1 ns）实现时空同步。通过碳化硅探测器测量穿越等离子体的离子能量损失，为理解等离子体环境中带电粒子能量沉积机制提供首批实验数据。

双配置反应产率对比

实验设计同时实现"等离子体内"与"投手-捕手"两种反应配置：主激光脉冲照射含氢硼靶产生膨胀等离子体（in-plasma反应），部分逸出质子撞击次级硼靶引发传统反应（pitcher-catcher）。通过同发次对比揭示等离子体环境对反应速率的增强效应，为优化反应条件提供直接依据。

FUSION项目通过系统性研究证实：新型硼氢燃料靶材可显著提升¹¹B(p,α)2α反应产率；金刚石探测器矩阵与改进型Thomson谱仪能有效鉴别混合信号中的α粒子；等离子体环境中的阻止能力测量为理解反应动力学提供新维度。该研究不仅推进了中子less聚变的基础物理认知，更为未来清洁聚变能源开发奠定了技术基础，包括靶材设计准则、诊断方法标准和等离子体-粒子相互作用数据库。随着激光技术的持续进步与反应产率的不断提升，质子-硼聚变有望成为继D-T聚变后最具潜力的第三代聚变能源方案。