作為磁瓶設計的現(xiàn)實替代方案，在使用高功率脈沖激光技術之前，基于商業(yè)激光的聚變比以往任何時候都更接近現(xiàn)實。

1、磁鐵與激光

在這一實驗裝置中，一個千兆瓦級的激光被用來點燃聚變反應(圖源：Focused Energy)

半個多世紀以來，科學家一直試圖在地球上重新創(chuàng)造受控的太陽能。

從理論上講，聚變的理論解釋早已沒有任何困難。

然而，迄今為止，天然核聚變發(fā)生的極端條件阻礙了其實際應用。在大約1500萬℃的溫度下，熱能導致氫原子發(fā)生強烈碰撞，從而熔化。

這個過程要在技術上可控，只有在非常高的溫度下，才有可能突破兩個帶正電的氫原子核之間的電排斥。

在這個溫度下，物質(zhì)進入第四種狀態(tài)——等離子體。

可以考慮不同的方法，在一定壓力和溫度下創(chuàng)建合適的聚變條件。

多年來，人們一直在探索強磁場來保持等離子體，但現(xiàn)在，脈沖激光被認為是一種很有前途的點火機制。

它基于實驗測量和科學確認的條件。

此外，近年來的研究成功，為強磁體和高功率激光器的發(fā)展帶來了突破性進展。

在這種環(huán)境下，來自相鄰技術領域的公司正在形成一個真正的聚變發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)。

這些公司正在與各種材料、研究公司和二極管制造商合作，以推進其商業(yè)上可行的聚變路線圖。

也許有可能在2030年代看到第一個完全運行的示范工廠。

2、二相激光聚變

激光演示

氘和氚用作氫聚變的燃料。

在一個典型的激光驅(qū)動聚變實驗中，這兩種同位素被放置在直徑約2mm的帶有特殊涂層的小球或靶中。

然后，在一個特殊構造的聚變室中，激光脈沖撞擊彈丸并突然加熱其外殼。

彈丸爆炸性蒸發(fā)，產(chǎn)生反沖，極大地加速了彈丸中的氫同位素，壓縮和加熱燃料。

在這種加熱和壓縮的聚變?nèi)剂现校凰嘏鲎膊⑷诤希尫懦鏊^的慣性聚變能(IFE)。

這個過程如何發(fā)電?

每一次聚變反應不僅留下一個氦原子核，還留下一個高速撞擊反應堆壁的自由中子。在那里，制動能量產(chǎn)生熱量，可以直接轉(zhuǎn)化為電能。

激光驅(qū)動聚變的方法，其工作方式有點像傳統(tǒng)的內(nèi)燃機。

兩相激光轟擊，簡稱“快速點火”，是經(jīng)濟可行性的首選方法。

首先，在激光產(chǎn)生的質(zhì)子束將致密物質(zhì)加熱到點火溫度之前，綠色激光閃光會壓縮膠囊。

由于分離的壓縮和點火階段，它的工作效率更高。

這種方法對于商業(yè)能源生產(chǎn)十分具有優(yōu)勢，因為它降低了壓縮燃料所需的激光器的嚴格要求，并且為發(fā)電所需的大于100的高能量增益提供了一種更可行的方法。

3、Focused Energy方法

綠色激光用于在兩級聚變反應過程中壓縮氫燃料芯塊(圖源：Focused Energy)

Focused Energy方法建立在過去十年取得的巨大進展基礎上，并引入了一些變化，以增加可行能源生產(chǎn)的可能性。

除了從壓縮加熱方法轉(zhuǎn)向快速點火，F(xiàn)ocused Energy還將使用稍微不同的激光參數(shù)和目標配置。

為了實現(xiàn)快速點火，F(xiàn)ocused Energy不會像以前的實驗那樣使用完美的球形目標，而是使用從側面插入錐體的膠囊。

除了為超短脈沖激光器提供第二個靶以產(chǎn)生質(zhì)子“火花塞”之外，這種配置允許更容易地用聚變?nèi)剂咸畛湫緣K，并為注入反應堆提供更堅固的靶。

此外，F(xiàn)ocused Energy將用綠光壓縮聚變?nèi)剂希皇侵皩嶒炛惺褂玫母鼈鹘y(tǒng)的藍色激光。

使用綠色激光進行顆粒壓縮的好處在于，在該頻率范圍內(nèi)延長激光光學器件的使用壽命。

此外，與以前的系統(tǒng)相比，激光燈可以更有效地使用來自插座的電力。

這些因素表明了兩相快速點火解決方案的操作和工藝優(yōu)勢。

Focused Energy利用過去30年進行的研究和實驗，通過高強度激光對IFE進行快速點火。

它本質(zhì)上是安全、高效和經(jīng)濟可行的，生產(chǎn)的能源將是“二氧化碳友好型”的。

4、工業(yè)過程技術

TAU加速器技術核心的激光等離子體相互作用(圖源：TAU)

就下一步而言，改進聚變靶丸的生產(chǎn)，在聚變室內(nèi)放置膠囊機器人將是至關重要的。

在那里，新顆粒的高精度放置必須能夠每3分鐘進行一次。相比之下，現(xiàn)有的激光聚變設施平均每兩小時才閃光一次。

2021年8月，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)的國家點火裝置(NIF)證明，激光能量到聚變能量的當前轉(zhuǎn)換約為0.7。

實驗證明，“點燃”激光聚變彈丸是可能的。

目標是能量產(chǎn)生效率約為150，獲得的聚變能量應超過照射目標的激光能量。演示系統(tǒng)所需的目標機器人已得到充分開發(fā)，并已投入實驗使用。

另一個需要解決的問題是顆粒涂層的優(yōu)化。

實現(xiàn)最低的材料成本和簡化的生產(chǎn)工藝，同時改善聚變第二點火階段的蒸發(fā)性能。

在商業(yè)運營中，顆粒的價格不得超過50美分。

此外，還需要足夠的生產(chǎn)能力。畢竟，在反應堆24小時運行的情況下，聚變室10赫茲的速度每天需要不少于86萬個彈丸。

5、能源的未來是聚變

NIF激光室內(nèi)的技術人員。聚變?nèi)剂闲緣K被固定在小圓柱形空腔內(nèi)的目標位置，頂部。

盡管仍有一些問題需要解決，但通過高功率激光器的慣性聚變能量，現(xiàn)在比以往任何時候都更接近于實現(xiàn)。

正在取得的進展表明，在未來10年內(nèi)，市場的生存能力比預期的要快得多。

其中，令人興奮的最新進展包括：

2021年8月，加利福尼亞州的NIF利用1.9 MJ的激光驅(qū)動產(chǎn)生了>1.3 MJ的聚變產(chǎn)額，即70%的激光能量轉(zhuǎn)換為聚變能量。

實驗觀察到，激光驅(qū)動質(zhì)子源的效率非常高。超過10%的皮秒激光脈沖能量已經(jīng)轉(zhuǎn)化為質(zhì)子暴，并且正在開發(fā)制造錐殼質(zhì)子快速點火靶的新技術。

現(xiàn)在可以制造出在10Hz下工作的具有數(shù)百焦耳能量的激光器，并且已經(jīng)部署了在10Hz上工作的100J脈沖激光器。

這僅在運行中的聚變發(fā)電廠所需激光束的大約10或20倍之內(nèi)。

核聚變的商業(yè)化將對能源部門產(chǎn)生重大影響，為解決氣候挑戰(zhàn)提供可靠的途徑，并將成為科學和技術領域的一項顯著成就。