未來 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)無法滿足。盡管我們還有時間，但研究和開發(fā)對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能技術(shù)的進一步發(fā)展，聚變能源是縮小差距的一種潛在解決方案。

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

達姆施塔特工業(yè)大學(xué)正在支持美國/德國公司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)生沒有任何關(guān)系。在這十年內(nèi)，F(xiàn)ocused Energy 希望建立一個示范工廠，以證明有足夠的點火、燃燒和增益來發(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)始團隊的重要成員。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)＜摇Ｔ趧?chuàng)立 National Energetics 之前，Ditmire 負責(zé)為布拉格的極光基礎(chǔ)設(shè)施 (ELI) 項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)動聚變反應(yīng)的獨特方式。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火設(shè)施 (NIF) 在 IFE 方面取得了巨大突破，該設(shè)施宣布了通過激光驅(qū)動的聚變反應(yīng)創(chuàng)造的能量新紀錄。

科學(xué)家們使用來自加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的 NIF 的強大激光，在短短 100 萬億分之一秒內(nèi)釋放出 130 萬焦耳的能量(超過 10 萬億瓦的功率)，接近點火點，這是點火點核聚變釋放的能量開始超過引爆所需的能量。來自世界各地的許多公司已經(jīng)獲得了數(shù)百萬美元的資金，用于在 NIF 宣布之前將激光聚變商業(yè)化的計劃。

在用于 IFE 的聚焦能量方法中，來自類似于 NIF 的激光器發(fā)出的納秒長脈沖用于壓縮氘氚燃料。然后，來自第二個拍瓦激光器的皮秒光束會撞擊 1 微米厚的薄球形箔片，點燃壓縮燃料(很像汽油發(fā)動機中的火花塞)。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)該團隊稱，雙脈沖策略將使燃料艙缺陷——與 NIF 相比是一個小問題——被忽視。所需的全部激光能量應(yīng)相當于 NIF 產(chǎn)生的能量的約 25%。這種模式稱為快速質(zhì)子點火。

發(fā)明人認為，這些拍瓦激光器的高強度飛秒到皮秒脈沖將使它們能夠比 NIF 更好地啟動聚變過程，產(chǎn)生的能量是啟動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)使現(xiàn)代拍瓦級激光器成為可能。拍瓦激光器產(chǎn)生的峰值強度為 10 19 –10 21 W/cm 2皮秒脈沖。相比之下，NIF、Omega 和法國 LMJ 激光器等長脈沖激光器產(chǎn)生的功率約為 10 15 W/cm 2，但每個激光脈沖的能量要高得多。

Ditmire 解釋了該項目是如何產(chǎn)生的：“這一切都始于我的大學(xué)時代，當時我使用拍瓦激光器。當我在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室時，我有機會與一位才華橫溢的德國年輕科學(xué)家 Markus Roth 一起工作。因此，馬庫斯和我成為了終生的同事和朋友?，F(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)啟動了一個建造拍瓦激光器的項目，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 激光器可達到約 2 kJ，每三分鐘發(fā)射一次，并對放大器進行液體冷卻。”

聚變能源目標

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，”Ditmire 說。“這是一種有趣的方法，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，因為您必須首先將激光轉(zhuǎn)換為 X 射線。所以你損失了大約 10 倍?！?