此前，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室發(fā)布報告稱，基于實驗室“國家點火設(shè)施”（NIF）而研發(fā)的近燃聚變反應(yīng)收獲了好消息，這也為由激光驅(qū)動的聚變能源系統(tǒng)推向市場增強了信心。甚至在NIF宣布這一消息之前，全球至少有四家初創(chuàng)公司已經(jīng)吸納了數(shù)百萬美元投資，用于將激光驅(qū)動聚變實現(xiàn)商業(yè)化，也稱為慣性聚變能（inertial fusion energy，IFE）。
慣性聚變能即基于慣性約束聚變獲得潔凈的氘氚聚變能，是一種具有商業(yè)應(yīng)用價值的新型能源。現(xiàn)在投身于慣性聚變能的公司，要么正在尋求新的投資，要么就是已經(jīng)獲得了新的資助。到目前為止，IFE研究包括數(shù)值模擬和激光實驗。
三家商業(yè)公司將他們的美好愿景寄托在短脈沖拍瓦級激光器的出現(xiàn)上。這些公司相信短脈沖拍瓦級激光器的高強度飛秒到皮秒長脈沖可以超越慣性聚變能的性能，從而產(chǎn)生激發(fā)點燃聚變反應(yīng)需要的數(shù)倍能量。
羅徹斯特大學(xué)OMEGA EP項目上的光束線，目前是美國最強大的短脈沖激光器（來源：羅徹斯特大學(xué)）
美國羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實驗室首席科學(xué)家Riccardo Betti表示，無需NIF提供的完美對稱內(nèi)爆環(huán)境就能實現(xiàn)慣性聚變能，這種非常規(guī)的方式應(yīng)當值得鼓勵和發(fā)展。為了取得今天的成就，參與其中的商業(yè)公司和研究機構(gòu)耗費了數(shù)十億美元和11年的等待。
但他同時也表示，短脈沖方式的物理學(xué)特性還有待證明，這將需要建造價值10億美元的激光器，其產(chǎn)生的能量是激光能量學(xué)實驗室OMEGA EP激光器（目前美國最強大的短脈沖激光器）的100倍。另外，有兩家公司試圖通過設(shè)計質(zhì)子和硼-11之間產(chǎn)生聚變的機制，以進一步推動聚變實現(xiàn)商業(yè)化的步伐。
新技術(shù)
NIF的設(shè)計并沒有考慮到發(fā)電廠。它得到了能源部國家核安全管理局的支持，作為在沒有地下試驗的情況下維持美國核武器儲備的工具。大多數(shù)專家表示，NIF將激光耦合到燃料的間接驅(qū)動方法，首先將激光束轉(zhuǎn)換為X射線從而使燃料膠囊內(nèi)爆，但這種方式效率低，不具備商業(yè)價值。羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實驗室主任Michael Campbell談到，NIF的“電光轉(zhuǎn)換”（wall-plug）效率，從電網(wǎng)中提取能量沉積在聚變?nèi)剂仙现挥?.5%。
但自從1990年代設(shè)計NIF以來，激光技術(shù)已經(jīng)取得了進步，現(xiàn)在由高效二極管驅(qū)動的固態(tài)拍瓦級激光器的電光轉(zhuǎn)換效率可以超過20%。Campbell表示，這些技術(shù)進步對于實現(xiàn)直接驅(qū)動很有幫助，因為激光可以將能量直接沉積到燃料上。
現(xiàn)代拍瓦級激光器由啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）實現(xiàn)。目前世界上擁有拍瓦級激光器的研究機構(gòu)包括歐盟“極光基礎(chǔ)設(shè)施”項目擁有兩個組件激光器；中國上海超強超快激光裝置；日本大阪激光工程研究所；美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校、勞倫斯伯克利國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實驗室。
Innoven Energy計劃使用兩臺氟化氪激光器（圖中僅顯示一臺）實現(xiàn)內(nèi)爆氘-氚的效果（來源：Innoven Energy）
拍瓦激光器在皮秒脈沖中產(chǎn)生1019-1021W/cm2的峰值強度。相比之下，勞倫斯伯克利國家實驗室的NIF、羅切斯特大學(xué)的OMEGA項目和法國“Laser Megajoule”項目所采用的激光器能產(chǎn)生1015W/cm2，它們在納秒持續(xù)時間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)十千焦到兆焦的能量。最近NIF取得了一項突破，在脈沖長度為8 納秒內(nèi)產(chǎn)生了1.9兆焦耳的能量。
NIF、OMEGA和Laser Megajoule是閃光燈泵浦激光器，每天最多只能發(fā)射幾次。這與經(jīng)濟上可行的慣性聚變能所需的每秒多個脈沖相去甚遠。大多數(shù)反應(yīng)堆概念都設(shè)想用激光發(fā)射燃料芯塊，燃料芯塊以穩(wěn)定的速度落入目標室并排出熱能以產(chǎn)生蒸汽。目前的一些拍瓦級激光器可以以1Hz或更高的頻率發(fā)射。
玩家們
總部位于德國慕尼黑的初創(chuàng)公司Marvel Fusion首席技術(shù)官Georg Korn認為，超短脈沖拍瓦級激光器可以克服流體動力不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性阻礙了NIF的燃料對稱內(nèi)爆并達到點火條件。他接著表示，Marvel Fusion并沒有建造自己的激光器而是在18-24個月的實驗計劃中，與目前已有拍瓦級激光器的研究機構(gòu)達成緊密合作。具體來說，Marvel Fusion計劃用硼-11B激發(fā)這些強大的激光器。
使用質(zhì)子和硼-11B產(chǎn)生聚變不需要氚和不產(chǎn)生中子，燃料便宜且豐富。產(chǎn)生的阿爾法粒子足以直接通過磁感應(yīng)發(fā)電，這將消除對使用蒸汽和渦輪機的需求。但是熱硼-11B反應(yīng)所需的溫度超過30億開爾文，大約是NIF和世界各地托卡馬克裝置產(chǎn)生D-T反應(yīng)的10倍。此外，硼-11B聚變產(chǎn)生的能量僅為D-T反應(yīng)生成能量的一半，批評人士稱這將使創(chuàng)造可行的聚變功率變得更加困難。對于Marvel Fusion而言，Korn表示硼-11B是一種優(yōu)于D-T的燃料，公司希望實現(xiàn)依賴專有納米結(jié)構(gòu)目標的非熱點火過程。
Bedros Afeyan是一家從事激光-等離子體相互作用研究公司的總裁，他表示像Marvel Fusion將希望放在硼-11B上的努力注定要失敗。除了離子溫度超過100開爾文外，硼-11B沒有放熱反應(yīng)，我們甚至不知道如何使幾開爾文的等離子體燃燒。
Betti指出，除了極端溫度要求外，硼-11B聚變反應(yīng)發(fā)生的概率比D-T聚變反應(yīng)小得多。D-T聚變已經(jīng)非常困難，而硼-11B在制造有用能量的要求方面要困難得多。目前在拍瓦級激光器上進行相關(guān)實驗的機構(gòu)包括大阪激光工程研究所，期間產(chǎn)生了大量的硼-11B聚變和阿爾法粒子，但遠遠低于點火和有用能量產(chǎn)生所需的數(shù)量。事實上，Korn本人和其他研究者公布了2020年大阪實驗室的研究結(jié)果，基于 硼-11B反應(yīng)的聚變反應(yīng)堆顯然并不適用于未來。
Marvel Fusion選擇硼-11B核聚變路線的部分原因是避免對氚的需求和中子的產(chǎn)生，同時還可以滿足德國的反核情緒，這個國家正在逐步淘汰核電。迄今為止，公司已經(jīng)從Blue Yard Capital和未具名的天使投資者那里籌集了3000萬歐元（約合3550萬美元）。但公司在選擇硼-11B后卻失去了主要的資金支持者SKion，即德國億萬富翁Susanne Klatten的投資公司。
另一個寄希望于硼-11B的是HB11，這是一家由新南威爾士大學(xué)核聚變物理學(xué)家Heinrich Hora 創(chuàng)建的澳大利亞公司。這家位于悉尼的初創(chuàng)公司計劃使用短脈沖拍瓦級激光器，但其確切的技術(shù)方法仍在制定中。
澳大利亞沒有拍瓦級激光器，HB11也不打算自己建造。這家公司的研究計劃主要由其他大陸設(shè)施的受資助研究人員進行。HB11最大的資金支持者是德國科技企業(yè)家Lukasz Gadowski。目前，公司已經(jīng)籌集到480萬澳元（約合350萬美元）。
堅持D-T路線
Focused Energy是另一個可能實現(xiàn)慣性聚變能商業(yè)化的玩家，與Marvel Fusion有著相似的成立背景。但是當Marvel Fusion決定采用硼-11B時，兩家公司前進的道路出現(xiàn)了分歧。曾擔任Marvel Fusion首席科學(xué)官的Markus Roth于2020年離職，并創(chuàng)立了Focused Energy。
Focused Energy計劃的雙激光器方案是先用一臺納秒長脈沖激光器壓縮D-T燃料，然后用第二臺拍瓦級激光器發(fā)出的皮秒長脈沖點燃壓縮后的燃料斑點，該脈沖將擊中薄球形箔（微米大小）。來自箔背面的加速質(zhì)子會將能量集中到燃料上。
與NIF采用的方式相比，雙脈沖方法將使燃料艙的缺陷問題更小。Roth說，所需的總激光能量計劃為500kJ-750kJ，約為NIF能量輸出的四分之一。Focused Energy首席執(zhí)行官Thomas Forner表示，公司已從美國投資者獲得了資金支持，包括科技企業(yè)家Marc Lore和退休的紐約洋基隊球員Alex Rodriguez，他們是一家風(fēng)險投資基金的合伙人。
總部位于美國加州圣迭戈的Innoven Energy的氟化氪(KrF)氣體激光技術(shù)，是為戰(zhàn)略防御計劃而開發(fā)的，旨在使敵方衛(wèi)星失去能力。盡管這種技術(shù)從未部署過，但在美國能源部國家核安全管理局的資助下，洛斯阿拉莫斯國家實驗室和海軍研究實驗室的科學(xué)家一直在探索該技術(shù)的聚變潛力。KrF激光器的發(fā)明者Robert Hunter Jr是Innoven Energy的首席執(zhí)行官。
該公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Conner Galloway表示，公司目標是將微秒長的KrF脈沖縮短到納秒。在計劃中的雙激光器間接-直接驅(qū)動方法中，來自相對激光器的光束將被引導(dǎo)到D-T燃料腔室。
Afeyan表示，Innoven Energy的KrF激光器需要大口徑光學(xué)器件，這在商業(yè)上不太可行。Betti 也同意研發(fā)兆焦耳級別KrF激光器建非常困難，但他也說KrF激光器發(fā)出的光本質(zhì)上比NIF采用的固態(tài)激光器具有更好的內(nèi)爆特性。他認為應(yīng)該更仔細地研究KrF激光器。
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