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聚变原子数据

2026-08-09

聚变要同时做成两件相互牵连的事：用氘氚等离子体点火，又靠杂质——尤其钨——把热量以辐射形式带走保护装置。但支撑这两件事的原子与核数据，恰是整个链条上最薄的一环。氘氚反应截面仍以几十年前的实验为基准，可能携带高达50%的系统误差；钨从基态到W⁴⁴⁺，每一级的电离、复合、激发，要么靠经验公式外推，要么靠实验乘子硬调，而1到10千电子伏的中间地带正是理论与实验分歧最凶的地方。

先看中子产额这条线。D-T聚变功率预测的不确定性链条分三层。最底层是反应截面本身：1981年，洛斯阿拉莫斯的Jarmie在《核科学与工程》上警告，T(d,n)⁴He反应数据库建立在约25年前的实验上（Arnold、Conner-Bonner-Smith、Katsanov三组数据），通常被假定±5%精度，但反应率可能存在高达50%的系统性误差；在20千电子伏处仅0.5千电子伏的能量标定偏移就导致截面改变约10%。中间层是建模计算：2021年JET的第二次氘氚活动（DTE2）的TRANSP解释性建模给出，计算聚变功率的组合不确定度为±25–35%，低中子产额放电的计算与测量平均偏差约+40%——已经超出了声称的带宽。最外层是输运与屏蔽核数据：用D-T中子做的铁基准实验显示FENDL-3.2b在深度处高估低能通量约1.3倍、低估高能通量约0.8倍。而束流-靶中子源的问题更尖锐：IFMIF要用的产氚反应⁶,⁷Li(d,x)t贡献了锂回路约80%的氚，属OECD-NEA高优先级数据需求，目标精度10%，但该能区没有任何实验数据，各评价库分歧达2到3倍。Nishitani等人2021年的基准计算显示，同一个d-Li厚靶问题，不同输运模型的结果能差2倍——PHITS+INCL高估约2倍，MCNP+ISABEL低估约50%。

再看杂质辐射冷却这条线。杂质辐射功率与核电荷数Z的平方标度，钨（Z=74）即使极小浓度也会在核心产生强辐射冷却。这作用是一把双刃剑：低Z种子杂质（氮、氖、氩、氪、氙）可以用于偏滤器和边缘辐射冷却以降低热流；而钨从第一壁溅射入芯后则造成核心功率损失，破坏功率平衡乃至辐射塌缩。DIII-D的实验显示，金属杂质等离子体约束更低、更易辐射塌缩，核心钨浓度低30倍就丧失功率平衡；模拟表明ITER预期芯温与钨浓度下（c_W≤3×10⁻⁵）仍可维持Q=8到10。但Q_DT=10需要约80%的辐射功率分数来保护偏滤器，而边缘功率流又非常接近维持H模所需的阈值——这两者的平衡是未决的关键问题。

支撑这一切的原子数据，恰恰是已知的薄弱环节。FES原子物理白皮书（引述Beiersdorfer等人2012年在《高能量密度物理》上的话）直言：电离平衡作为电子密度与温度的函数，"在实验和理论上都相当糟糕地未知"。ADPAK电离平衡代码对钨的演示说明：用经验乘子调重组率以匹配ASDEX测量，会"强烈扭曲"预测的电离平衡——而这一做法在托卡马克分析中普遍使用。Pütterich团队2010年在《核聚变》上报告，ASDEX Upgrade的实测钨离子丰度无法用ADPAK和CADW理论精确复现，必须对复合速率施加经验修正因子；而不同碰撞辐射模型在2到3千电子伏区间的电离分布与实验明显分歧——这正是ITER台基、边界、偏滤器相关的温度区。

钨数据的具体缺口可以列一张清单。ITER软X射线谱仪工作的200到400埃波段，所有钨电荷态总共只报告了108条谱线，除W⁶⁺外只有5条，其中4条鉴定存疑。EUV区的W IX到W XXVII中电荷态谱线指派仍不完整。1到10千电子伏温度区间是公认的"高风险区"——电离、复合、激发数据存在大的不确定性和理论与实验的分歧。亚稳态的问题最隐蔽也最要害：来自亚稳态（W到W⁹⁺）的电离对电离平衡起实质性作用，但以往碰撞计算只含基态电离。上海EBIT发现亚稳态"寿命极长且布居很高"。JET-ILW的钨侵蚀实验给出了最尖锐的实验-理论冲突：Kumpulainen等2022年用ERO2.0模拟，W I发射预测与测量吻合，但W II发射被低估了10倍——嫌疑指向W¹⁺的亚稳态数据。这与Stenke等1995年在吉森交叉束实验中发现W⁶⁺完全由亚稳态主导、Lotz半经验公式因激发-自电离严重低估的情况，完全咬合。

双电子复合（DR）是另一个核心不确定项。海德堡TSR储存环的合并束实验表明，类氙钨W²⁰⁺的DR速率系数比旧理论数据高超过4倍。而Tungsten Project（Strathclyde大学的Preval、Badnell和O'Mullane）在2018年指出，level分辨与configuration分辨的DR速率系数相差5%到75%——级分辨与组态分辨的选择能改变电离平衡的峰值温度。相对论组态混合是钨这类开d/f壳层离子的关键：W³⁷⁺–W²⁸⁺段的DR数据修订后，稳态电离分数的峰值温度移到了0.9到1.6千电子伏，正是ITER台基和偏滤器最关心的区域。

同位素效应也不可忽略。对电子碰撞过程，氢同位素截面在原子层面相同，但D₂截面比H₂大约1.6%（Liu和Shemansky 2012）。真正的同位素效应出现在重粒子碰撞：He²⁺+H/D/T电荷转移在低于约80电子伏每核子时，D/H截面比达约100，T/H达约1000——两个数量级的差异，对氘氚混合等离子体的中性束注入和电荷交换诊断都有实质影响。而分子离子（H₂⁺、D₂⁺、HD⁺）的态分辨数据是偏滤器模拟的前提，同位素（D₂⁺、HT⁺、DT⁺、T₂⁺）数据主要靠理论外推。

中国在这个领域的位置，浓缩为一句话：测量与轻核理论已具全球竞争力，但自主数据栈空白。ASIPP的EAST装置是全钨环境，张凌团队已识别超过13种杂质元素、560多条谱线（其中钨超过110条）、213条钨谱线；吕波团队的XCS弯晶谱仪测量W⁴⁴⁺（3.9095埃）杂质浓度剖面，还发现了轴心电子回旋加热（ECRH）能抑制钨杂质聚芯。鲍润家团队2026年在《核聚变》上发表了用FAC（对照HULLAC）加碰撞辐射模型高效建模钨X射线/EUV发射的工作——注意这篇论文针对的是ITER条件而非EAST，合作者包括张凌、Mitnik、Morita和O'Mullane，已接入IMAS并对标ADAS。IAPCM（北京应用物理与计算数学研究所）用广义约化R矩阵方法评估聚变轻核反应截面（5He、6He、5Li系统，T(d,n)⁴He扩展至46兆电子伏），建有国内唯一的原子分子数据库（约270万条数据）。复旦大学上海EBIT提供了钨谱的约40ppm精度实验基准。西北师范大学董晨钟团队系统计算钨离子的电子碰撞电离、激发和双电子复合。但差距同样清楚：对ADAS及国际工具深度依赖、无自主ADAS级软件栈、CENDL尚无专门聚变文库、主动CXRS在钨壁环境下退化。

把五份独立报告交叉比较，最尖锐的咬合是这条证据链：JET的W II低估10倍，指向W¹⁺亚稳态数据；Stenke的W⁶⁺亚稳态主导实验；上海EBIT发现亚稳态长寿命高布居；而标准碰撞模型系统性忽略亚稳态电离。亚稳态问题贯穿实验、应用和缺口三个维度，唯独在理论方法维度缺席——这本身就是理论与测量脱节的缩影。IAEA已经启动五年期协调研究项目F43028"聚变等离子体中钨离子性质"（2025到2031），专门应对1到10千电子伏区间的钨电离平衡与DR问题，参与国包括中国。

数据，正成为聚变从"工程可行"走向"物理可靠"的隐形瓶颈。缺的不是某一组截面，而是把原子数据、电离平衡和装置模型连成可信因果链的系统能力。ADAS这类事实标准是三十多年前的架构，亚稳态、非平衡、同位素效应这些"新问题"都装不进去；经验修正大行其道却又扭曲预测。中国团队在测量与轻核理论上已具全球竞争力，但自主数据栈的空白正随装置需求同步放大。ITER、SPARC、CFETR都在等待更好的数据——而数据的生产，需要测量与理论在每一个电荷态、每一条谱线上较真。

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