This study demonstrates that using spin-polarized deuterium-tritium (D-T) fuel with more deuterium than tritium can increase tritium burn efficiency (TBE) by at least an order of magnitude without compromising fusion power output, compared to unpolarized fuel. Although previous studies show that a low tritium fraction can enhance TBE, this strategy resulted in reduced fusion power density. The surprising improvement in TBE at fixed power reported here is due to the TBE increasing nonlinearly with decreasing tritium fraction but the fusion power density increasing roughly linearly with D-T cross section. A study is performed for an ARC-like tokamak producing 481 MW of fusion power with unpolarized 53:47 D-T fuel, finding the minimum startup tritium inventory () is 0.69 kg. By spin-polarizing half of the fuel and using a 60:40 D-T mix, is reduced to 0.08 kg, and fully spin-polarizing the fuel with a 63:37 D-T mix further reduces to 0.03 kg. Some ARC-like scenarios are predicted to achieve plasma ignition with relatively modest spin polarization. These findings indicate that, with advancements in helium divertor pumping efficiency, TBE values of approximately 10%–40% could be achieved using low-tritium-fraction and spin-polarized fuel with minimal power loss. This would dramatically lower tritium startup inventory requirements and reduce the amount of on-site tritium. More generally than just for spin-polarized fuels, increased plasma performance can be used to increase TBE. This strongly motivates the development of spin-polarized fuels and low-tritium-fraction operation for burning plasmas.
この研究は、非偏極燃料と比較して、トリチウムよりも重水素を多く含むスピン偏極重水素-トリチウム（D-T）燃料を使用することで、核融合出力を損なうことなく、トリチウム燃焼効率（TBE）を少なくとも一桁向上させられることを実証する。これまでの研究では、低トリチウム割合がTBEを向上させ得ることが示されているが、この戦略は核融合出力密度の低下をもたらした。ここで報告する固定出力でのTBEの驚くべき改善は、TBEがトリチウム割合の減少に伴って非線形的に増加する一方、核融合出力密度がD-T断面積とほぼ線形に増加することによる。非偏極の53:47 D-T燃料を用いて481 MWの核融合出力を生成するARC類似トカマクについて研究が行われ、最小起動時トリチウムインベントリ（）は0.69 kgであることが分かった。燃料の半分をスピン偏極し60:40 D-T混合を使用すると、（）は0.08 kgに減少し、燃料を完全にスピン偏極し63:37 D-T混合を使用すると、（）はさらに0.03 kgに減少する。いくつかのARC類似シナリオでは、比較的穏やかなスピン偏極でプラズマ点火を達成すると予測されている。これらの発見は、ヘリウムダイバータ排気効率の進歩により、低トリチウム割合およびスピン偏極燃料を使用して、最小限の出力損失で約10%～40%のTBE値が達成できることを示している。これにより、トリチウム起動時インベントリの要件が劇的に低下し、サイト内トリチウム量が削減される。スピン偏極燃料に限らず、より一般的に、プラズマ性能の向上をTBE向上に利用できる。これは、燃焼プラズマのためのスピン偏極燃料と低トリチウム割合運転の開発を強く動機付ける。