国家点火装置的点火里程碑激发了激光聚变的新动力

国家点火装置的点火里程碑激发了激光聚变的新动力

时间戳记：20年2023月9日，凌晨50:XNUMX

美国国家点火装置历史性的点火演示激发了包括私人投资者在内的对激光聚变的新乐观情绪，因为 埃德温卡特里奇 报告 

美国国家点火装置
大收获 去年国家点火装置实现能源盈亏平衡的示范激励了一些公司加快其聚变能商业化计划。 （礼貌：Damien Jemison/LLNL）

十多年来，物理学家们 劳伦斯利弗莫尔国家实验室 在加利福尼亚州，一直在尝试在实验室中做一些以前只发生在氢弹弹头内的事情。 他们的目标是使用世界上最大的激光器——价值 3.5 亿美元的激光器——产生的强光脉冲 国家点火设施 (NIF)——压碎微小的氢燃料胶囊，使其中产生的异常温度和压力产生产生能量的聚变反应。 直到去年年底，一系列的技术挫折阻止了他们实现他们的目标，即点火。 但就在 1 月 5 日凌晨 XNUMX 点之后，激光焦点周围的探测器中出现了比平常更大的中子爆发 表示成功 – 在这种情况下，反应产生的能量是它们消耗能量的 1.5 倍以上。

这一壮举成为世界各地的头条新闻，并激发了公众、政治家和聚变专家等人的想象力。 美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆称赞这一“里程碑式的成就”，同时 罗彻斯特大学的 Michael Campbell 在美国将这一结果描述为聚变研究的“莱特兄弟时刻”。 为了 伦敦帝国理工学院的 Steven Rose, 该公告消除了人们对可实现如此高的聚变能量的任何挥之不去的疑虑。 “如果你没有获得大于 XNUMX 的能量增益，人们可能会声称你永远无法实现它，”他说。

结果重新燃起了人们的乐观情绪，即聚变最终可能会产生一种清洁、安全、可靠和可持续的新能源。 现在，各国政府，尤其是私营公司正在寻求开发聚变能源的巨大潜力——一些公司甚至承诺，他们将在下一个十年初期将试点电厂的电力输送到电网。

然而，一些科学家认为这样的时间尺度是不现实的，因为在聚变能源的道路上仍然存在巨大的技术障碍。 其他人则认为 10-15 年的时间范围是可行的，只要研究人员及其资助者采用正确的思维方式。 为了 加州大学洛杉矶分校的 Troy Carter，这意味着结束对大型、昂贵、集中式设施（如足球场大小的 NIF）的依赖，转而转向由更能承受风险的私营部门领导的更小、更便宜的项目。 “我们必须改变我们做生意的方式，”他说。

终于达到目标

利用轻核聚变时释放的能量需要将核燃料以等离子体的形式保持在大约 100 亿开尔文的温度下。 这样做的一种方法是将等离子体限制在磁场中相当长的时间，同时用无线电波或粒子束加热它。 迄今为止，这种“磁约束”一直是物理学家获得聚变能的首选途径。 这将用于世界上最昂贵的公共和私人反应堆：20+XNUMX 亿美元 国际热核实验堆 在法国南部建设的工厂和该公司制造的机器 联邦融合系统 美国波士顿以外的地区，迄今为止已筹集了至少 2 亿美元的资金。

“惯性约束”反应堆不是试图获得稳定状态，而是有点像内燃机——通过重复的爆炸循环产生能量，短暂地产生巨大的温度和压力。 NIF 通过将 192 束激光束放大并聚焦到一个微小的中空金属圆柱体上来实现这一点，该金属圆柱体的中心是一个胡椒粒大小的胶囊，内含氢同位素氘和氚。 圆柱体壁产生的 X 射线从胶囊的外表面爆炸，由于动量守恒而迫使其余部分向内移动，并导致其中的氘核和氚核聚变——在此过程中释放出 α 粒子（氦核） )、中子和大量能量。

这个过程要求极高，需要非常精确的光束聚焦和超光滑的胶囊，以确保聚变所需的近乎完美对称的内爆。 事实上，由于内爆和胶囊缺陷等因素导致等离子体不稳定，这意味着利弗莫尔研究人员在 2012 年之前远未达到他们最初的点火目标（或“盈亏平衡”）。但通过一系列艰苦的测量在连续的激光发射中，他们能够逐渐改进他们的实验装置并最终发射历史性的发射——在向目标提供 3.15 MJ 的激光能量后产生 2.05 万焦耳 (MJ) 的聚变能量。

利弗莫尔惯性约束聚变计划的首席科学家 Omar Hurricane 表示，他们现在计划“重新安排”他们的工作，通过以大约 0.2 MJ 的步幅提高 NIF 的激光能量来推动更高的、可重复的收益。 他们还打算研究改变胶囊内核燃料厚度和减小圆柱体激光入口孔尺寸的效果。 然而，他指出，NIF 从未被设计用于展示实际的聚变能——鉴于该设施的主要目的是提供实验数据以支持美国（不再测试）的核武器储备。 因此，NIF 的效率极低——它的 2 MJ 闪光灯泵浦激光器需要大约 400 MJ 的电能，相当于“电光”效率仅为 0.5%。

罗彻斯特大学的 Riccardo Betti 表示由二极管泵浦的现代激光器可以达到高达 20% 的效率，但指出发电厂所需的利润率（包括热能转化为电能过程中损失的能量）意味着即使是这些设备也需要“至少 50- 100”（与 NIF 的 1.5 相比）。 它们还必须每秒“开火”几次，而 NIF 每天大约只开火一次。 这种高重复率需要大量生产的目标成本最多为几十美分，而 NIF 的目标（由黄金和合成金刚石制成）则需要数十万美元。

进入市场

一家相信它可以克服所有障碍将聚变能源商业化的公司是总部位于加利福尼亚的公司 Longview 聚变能源系统. Longview 由包括 NIF 前主任爱德华摩西在内的几位前利弗莫尔科学家于 2021 年成立，旨在将 NIF 的目标设计与二极管泵浦固态激光器相结合。 该公司宣布成立的同一天，利弗莫尔 (Livermore) 报道了 NIF 破纪录的投篮，并表示计划在未来五年内开始建设试点发电厂。

Longview 表示，它打算最迟在 50 年之前向电网提供 2035 兆瓦的电力。 该公司承认这并不容易，设想激光效率和重复率分别为 18% 和 10–20 Hz。 特别是，它说虽然必要的二极管已经存在，但它们“还没有被封装到聚变级激光器的集成光束线中”。 但它仍然有信心能够在最后期限前完成，并指出激光在试验工厂所需的光学损伤阈值的两倍以内。

不是每个人都相信。 华盛顿特区美国海军研究实验室激光聚变项目前负责人斯蒂芬·博德纳 (Stephen Bodner) 坚持认为，NIF 的“间接驱动”技术在产生 X 射线（而不是直接照射燃料舱）时浪费了太多能量。 他还对 Longview 声称可以通过将可观的工程和资本支出分摊到其试验工厂将需要的 0.30 亿个靶材来将靶材成本降至 500 美元以下的说法表示怀疑。 他说：“像 NIF 上使用的聚变目标不可能得到足够的改进以用于商业聚变能。”

然而，Longview 并不是唯一一个相信自己拥有将聚变能带给世界的技术的公司。 去年编制的一份报告 由 聚变工业协会 贸易机构列出了美国和其他地方的 33 家公司致力于聚变技术——其中许多公司还制定了开发发电厂的紧迫时间表。 一家这样的公司是 第一道曙光，总部位于英国牛津附近。 First Light 没有使用激光脉冲来压缩燃料舱，而是利用一大堆电容器提供的电磁力以极高的速度发射材料射弹——邮票形状的金属片，所有电容器都几乎在瞬间放电。 射弹击中特制目标，每个目标都会引导并增强对嵌入内部的燃料舱的冲击压力。

迄今为止，该公司已筹集了约 80 万英镑的资金，并使用欧洲最大的脉冲功率设施展示了核聚变。 据联合创始人兼首席执行官尼古拉斯·霍克 (Nicholas Hawker) 称，下一步将在大约五年内用更大的机器展示点火装置，然后在“2030 年代初期至中期”建立试验工厂。 霍克承认，许多挑战摆在面前——例如能够一个接一个地装载射弹和开发适当坚固的高压开关——但他相信该方案的物理原理是可靠的。 “燃料舱与 NIF 完全相同，因此最近的结果也大大降低了我们系统的风险。” 

需要现金

在物理学方面，Betti 认为惯性约束聚变比磁约束更好。 虽然 NIF 现在已经证明前者可以产生自持反应，但他认为，在接近点火阈值时产生的不稳定性意味着托卡马克是否可以效仿仍然存在很大的不确定性。 尽管如此，他表示，如果要产生具有经济竞争力的能源，这两种形式的聚变都必须克服巨大的障碍——包括在激光聚变方面从大规模生产的目标中获得高收益的证明。 “我很难相信能源系统可以在 10 年内准备就绪，”他说。

NIF 科学家在过去十年中出色地解决了一些非常困难的物理问题。 他们的伟大工作应该得到认可

斯蒂芬博德纳

卡特更为乐观。 他坚持认为，试点工厂可以在大约十年的时间内建成，只要私营公司带头建设，同时政府支持更基础的基础研究，例如抗辐射材料。 但他警告说，必要的资金将是相当可观的——就美国政府而言，每年大约需要额外投入 500 亿美元。 他补充说，如果资金到位，全面的商业工厂可能会“早于 2050 年”启动。

至于哪种技术最终会进入工厂内部，Bodner 坚称它不会基于间接驱动。 他坚持认为，最有可能的是基于不同类型激光系统（例如氩氟气体激光器）的惯性约束。 但他承认，扩大任何系统都会带来不确定性。 他赞扬 NIF 科学家将聚变研究做到这一点。 “在过去的十年里，他们在解决一些非常困难的物理问题方面做得非常出色，”他说。 “他们的伟大工作应该得到认可。”

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