X射线自由电子激光器可引发核聚变

2019-12-10 08:53

根据核物理的理论，控制受控核聚变需要高能量。但是，利用X射线的最新自由电子激光器提供的能量和电磁场，可以在较低能量下引发核聚变，德国德累斯顿－罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）科学家在《物理评论》杂志上证明了这一点。

多年来，科学家一直在研究通过核聚变来发电，一方面这是一种几乎取之不尽的能源，另一方面要想掌握核聚变，还有许多技术障碍。其中之一是为了引发核聚变，必须要克服聚变在一起的带相似电荷的原子核的强电排斥力，这通常需要很高能量。

但是，还有另一种方法，该项研究的合著者弗里德曼·奎塞尔说：“如果可用较低能量，通过量子力学隧道效应也可以实现聚变。这样一来，由核心排斥力引起的能垒便以较低的能量穿过隧道。”这个过程不是理论上的构建，而是一个现实，在太阳芯中发现温度和压力条件不足以克服氢核聚变的能垒，然而，通过足够数量的隧穿过程可以维持聚变反应。

HZDR科学家在他们目前的工作中研究了通过辐射对隧穿过程的支持是否可以促进受控的融合。迄今为止，用于触发此类过程的常规激光辐射的性能太低，但这状况很快就会改变。现在使用X射线自由电子激光器（XFEL），已经可以实现每平方厘米10－20瓦的功率密度。这大约相当于太阳辐射功率的一千倍，集中在1枚硬币的表面。HZDR理论物理系主任拉尔夫·许尔策豪德教授说：“这使我们进入了可以用强力X射线激光器支持这种隧穿过程的领域。”

这个想法是，导致铁心排斥的强电场，与较弱但变化迅速的电磁场叠加在一起，这可以借助XFEL产生。HZDR的科学家通过氢同位素氘和氚的融合进行了理论研究。现在，当谈到未来的聚变电站概念时，该反应被认为是最有希望的反应之一。结果表明，可以通过这种方式提高隧道速率，足够数量的引发隧穿过程最终可以实现成功且受控的聚变反应。

如今，一些具有相应潜力的激光系统已成为全球大型研究机构的旗舰项目，例如在日本、美国或德国的X射线激光是世界同类激光器中最大的。由HZDR实施的国际极端场光束线计划（HIBEF）正在进行独特的超短和超快X射线闪光实验。接下来，HZDR物理学家还对其他聚变区域的理论进行更深入的研究。