脉冲激光核聚变

作为磁瓶设计的现实替代方案，在使用高功率脉冲激光技术之前，基于商业激光的聚变比以往任何时候都更接近现实。

1、磁铁与激光

在这一实验装置中，一个千兆瓦级的激光被用来点燃聚变反应(图源：Focused Energy)

半个多世纪以来，科学家一直试图在地球上重新创造受控的太阳能。

从理论上讲，聚变的理论解释早已没有任何困难。

然而，迄今为止，天然核聚变发生的极端条件阻碍了其实际应用。在大约1500万℃的温度下，热能导致氢原子发生强烈碰撞，从而熔化。

这个过程要在技术上可控，只有在非常高的温度下，才有可能突破两个带正电的氢原子核之间的电排斥。

在这个温度下，物质进入第四种状态——等离子体。

可以考虑不同的方法，在一定压力和温度下创建合适的聚变条件。

多年来，人们一直在探索强磁场来保持等离子体，但现在，脉冲激光被认为是一种很有前途的点火机制。

它基于实验测量和科学确认的条件。

此外，近年来的研究成功，为强磁体和高功率激光器的发展带来了突破性进展。

在这种环境下，来自相邻技术领域的公司正在形成一个真正的聚变发展生态系统。

这些公司正在与各种材料、研究公司和二极管制造商合作，以推进其商业上可行的聚变路线图。

也许有可能在2030年代看到第一个完全运行的示范工厂。

2、二相激光聚变

激光演示

氘和氚用作氢聚变的燃料。

在一个典型的激光驱动聚变实验中，这两种同位素被放置在直径约2mm的带有特殊涂层的小球或靶中。

然后，在一个特殊构造的聚变室中，激光脉冲撞击弹丸并突然加热其外壳。

弹丸爆炸性蒸发，产生反冲，极大地加速了弹丸中的氢同位素，压缩和加热燃料。

在这种加热和压缩的聚变燃料中，同位素碰撞并融合，释放出所谓的惯性聚变能(IFE)。

这个过程如何发电?

每一次聚变反应不仅留下一个氦原子核，还留下一个高速撞击反应堆壁的自由中子。在那里，制动能量产生热量，可以直接转化为电能。

激光驱动聚变的方法，其工作方式有点像传统的内燃机。

两相激光轰击，简称“快速点火”，是经济可行性的首选方法。

首先，在激光产生的质子束将致密物质加热到点火温度之前，绿色激光闪光会压缩胶囊。

由于分离的压缩和点火阶段，它的工作效率更高。

这种方法对于商业能源生产十分具有优势，因为它降低了压缩燃料所需的激光器的严格要求，并且为发电所需的大于100的高能量增益提供了一种更可行的方法。

3、Focused Energy方法

绿色激光用于在两级聚变反应过程中压缩氢燃料芯块(图源：Focused Energy)

Focused Energy方法建立在过去十年取得的巨大进展基础上，并引入了一些变化，以增加可行能源生产的可能性。

除了从压缩加热方法转向快速点火，Focused Energy还将使用稍微不同的激光参数和目标配置。

为了实现快速点火，Focused Energy不会像以前的实验那样使用完美的球形目标，而是使用从侧面插入锥体的胶囊。

除了为超短脉冲激光器提供第二个靶以产生质子“火花塞”之外，这种配置允许更容易地用聚变燃料填充芯块，并为注入反应堆提供更坚固的靶。

此外，Focused Energy将用绿光压缩聚变燃料，而不是之前实验中使用的更传统的蓝色激光。

使用绿色激光进行颗粒压缩的好处在于，在该频率范围内延长激光光学器件的使用寿命。

此外，与以前的系统相比，激光灯可以更有效地使用来自插座的电力。

这些因素表明了两相快速点火解决方案的操作和工艺优势。

Focused Energy利用过去30年进行的研究和实验，通过高强度激光对IFE进行快速点火。

它本质上是安全、高效和经济可行的，生产的能源将是“二氧化碳友好型”的。

4、工业过程技术

TAU加速器技术核心的激光等离子体相互作用(图源：TAU)

就下一步而言，改进聚变靶丸的生产，在聚变室内放置胶囊机器人将是至关重要的。

在那里，新颗粒的高精度放置必须能够每3分钟进行一次。相比之下，现有的激光聚变设施平均每两小时才闪光一次。

2021年8月，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的国家点火装置(NIF)证明，激光能量到聚变能量的当前转换约为0.7。

实验证明，“点燃”激光聚变弹丸是可能的。

目标是能量产生效率约为150，获得的聚变能量应超过照射目标的激光能量。演示系统所需的目标机器人已得到充分开发，并已投入实验使用。

另一个需要解决的问题是颗粒涂层的优化。

实现最低的材料成本和简化的生产工艺，同时改善聚变第二点火阶段的蒸发性能。

在商业运营中，颗粒的价格不得超过50美分。

此外，还需要足够的生产能力。毕竟，在反应堆24小时运行的情况下，聚变室10赫兹的速度每天需要不少于86万个弹丸。

5、能源的未来是聚变

NIF激光室内的技术人员。聚变燃料芯块被固定在小圆柱形空腔内的目标位置，顶部。

尽管仍有一些问题需要解决，但通过高功率激光器的惯性聚变能量，现在比以往任何时候都更接近于实现。

正在取得的进展表明，在未来10年内，市场的生存能力比预期的要快得多。

其中，令人兴奋的最新进展包括：

2021年8月，加利福尼亚州的NIF利用1.9 MJ的激光驱动产生了>1.3 MJ的聚变产额，即70%的激光能量转换为聚变能量。

实验观察到，激光驱动质子源的效率非常高。超过10%的皮秒激光脉冲能量已经转化为质子暴，并且正在开发制造锥壳质子快速点火靶的新技术。

现在可以制造出在10Hz下工作的具有数百焦耳能量的激光器，并且已经部署了在10Hz上工作的100J脉冲激光器。

这仅在运行中的聚变发电厂所需激光束的大约10或20倍之内。

核聚变的商业化将对能源部门产生重大影响，为解决气候挑战提供可靠的途径，并将成为科学和技术领域的一项显著成就。