激光驅(qū)動(dòng)的聚變促進(jìn)清潔能源，第一部分

未來(lái) 30 年的世界能源需求需要大幅增加，現(xiàn)有的可再生技術(shù)無(wú)法滿足。盡管我們還有時(shí)間，但研究和開(kāi)發(fā)對(duì)于下一次能源革命的成功至關(guān)重要。隨著可再生能源和儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，聚變能源是縮小差距的一種潛在解決方案。

兩個(gè)原子的融合為我們的太陽(yáng)和宇宙中的恒星提供能量。幾十年來(lái)，工程師和科學(xué)家一直致力于在地球上實(shí)現(xiàn)可控聚變，以運(yùn)行發(fā)電廠，使用磁鐵和激光來(lái)創(chuàng)造必要的條件。

達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)正在支持美國(guó)/德國(guó)公司Focused Energy，該公司正在探索激光引導(dǎo)慣性聚變能 (IFE) 的想法，這是一種與磁約束不同的方法。應(yīng)該指出的是，它目前與商業(yè)能源的產(chǎn)生沒(méi)有任何關(guān)系。在這十年內(nèi)，F(xiàn)ocused Energy 希望建立一個(gè)示范工廠，以證明有足夠的點(diǎn)火、燃燒和增益來(lái)發(fā)電。

集中能量

Markus Roth 和 Todd Ditmire 是聚變和激光方面的專家，他們是創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)的重要成員。Roth 是該公司的首席科學(xué)官，也是 TU Darmstadt 的教授，因其在激光與物質(zhì)相互作用和等離子體物理學(xué)方面的研究而聞名于世;首席技術(shù)官 Ditmire 是德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的教授，也是高功率激光工程的全球?qū)＜?。在?chuàng)立 National Energetics 之前，Ditmire 負(fù)責(zé)為布拉格的極光基礎(chǔ)設(shè)施 (ELI) 項(xiàng)目建造世界上功率最高的激光器之一。

兩人在 IFE 上合作了數(shù)十年，這是一種使用高功率激光束驅(qū)動(dòng)聚變反應(yīng)的獨(dú)特方式。勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施 (NIF) 在 IFE 方面取得了巨大突破，該設(shè)施宣布了通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)的聚變反應(yīng)創(chuàng)造的能量新紀(jì)錄。

科學(xué)家們使用來(lái)自加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 NIF 的強(qiáng)大激光，在短短 100 萬(wàn)億分之一秒內(nèi)釋放出 130 萬(wàn)焦耳的能量(超過(guò) 10 萬(wàn)億瓦的功率)，接近點(diǎn)火點(diǎn)，這是點(diǎn)火點(diǎn)核聚變釋放的能量開(kāi)始超過(guò)引爆所需的能量。來(lái)自世界各地的許多公司已經(jīng)獲得了數(shù)百萬(wàn)美元的資金，用于在 NIF 宣布之前將激光聚變商業(yè)化的計(jì)劃。

在用于 IFE 的聚焦能量方法中，來(lái)自類似于 NIF 的激光器發(fā)出的納秒長(zhǎng)脈沖用于壓縮氘氚燃料。然后，來(lái)自第二個(gè)拍瓦激光器的皮秒光束會(huì)撞擊 1 微米厚的薄球形箔片，點(diǎn)燃?jí)嚎s燃料(很像汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中的火花塞)。彈道將能量集中在燃料上，質(zhì)子將從箔的后側(cè)加速。據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱，雙脈沖策略將使燃料艙缺陷——與 NIF 相比是一個(gè)小問(wèn)題——被忽視。所需的全部激光能量應(yīng)相當(dāng)于 NIF 產(chǎn)生的能量的約 25%。這種模式稱為快速質(zhì)子點(diǎn)火。

發(fā)明人認(rèn)為，這些拍瓦激光器的高強(qiáng)度飛秒到皮秒脈沖將使它們能夠比 NIF 更好地啟動(dòng)聚變過(guò)程，產(chǎn)生的能量是啟動(dòng)它們所需能量的許多倍。啁啾脈沖放大(Donna Strickland 和 Gérard Mourou 獲得 2018 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))使現(xiàn)代拍瓦級(jí)激光器成為可能。拍瓦激光器產(chǎn)生的峰值強(qiáng)度為 10 19 –10 21 W/cm 2皮秒脈沖。相比之下，NIF、Omega 和法國(guó) LMJ 激光器等長(zhǎng)脈沖激光器產(chǎn)生的功率約為 10 15 W/cm 2，但每個(gè)激光脈沖的能量要高得多。

Ditmire 解釋了該項(xiàng)目是如何產(chǎn)生的：“這一切都始于我的大學(xué)時(shí)代，當(dāng)時(shí)我使用拍瓦激光器。當(dāng)我在勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室時(shí)，我有機(jī)會(huì)與一位才華橫溢的德國(guó)年輕科學(xué)家 Markus Roth 一起工作。因此，馬庫(kù)斯和我成為了終生的同事和朋友。現(xiàn)在，我們是 Focused Energy 的聯(lián)合創(chuàng)始人。2008年，我在德克薩斯大學(xué)啟動(dòng)了一個(gè)建造拍瓦激光器的項(xiàng)目，完成了一系列關(guān)于質(zhì)子加速的研究。激光器是單發(fā)釹玻璃激光器，現(xiàn)在使用 ELI 激光器可達(dá)到約 2 kJ，每三分鐘發(fā)射一次，并對(duì)放大器進(jìn)行液體冷卻。”

聚變能源目標(biāo)

聚變有兩種方法：磁約束和慣性約束，每種方法都有不同的變化。Focused Energy 的方法是激光驅(qū)動(dòng)的慣性約束。

“另一方面，利弗莫爾的方法是所謂的間接驅(qū)動(dòng)，”Ditmire 說(shuō)?！斑@是一種有趣的方法，利弗莫爾在融合方面肯定能夠取得更大的收益。然而不幸的是，它效率低下，因?yàn)槟仨毷紫葘⒓す廪D(zhuǎn)換為 X 射線。所以你損失了大約 10 倍。”