新技术能使激光聚变反应堆瞬间制造出自供靶丸燃料

2023-07-21 17:00

近日，罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE）的研究人员通过激光实验证明了一种惯性约束聚变（ICF）的点火方法，旨在使惯性约束核聚变适合于经济实惠的大规模生产。根据研究人员的说法，该方法支持核聚变发电厂的实现。目前，相关研究成果已发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

（图片来源：University of Rochester）

长期以来，核聚变一直被视为一种理想的能源，因为它具有安全、清洁、廉价和可靠的潜力。自20世纪60年代初以来，科学家们一直在寻求使用高功率激光在足够长的时间、足够高的温度下压缩热核材料以触发“点火”的可能性。在“点火”这一节点上，惯性聚变能的最终输出大于传递给目标的能量。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置的科学家们在2022年12月取得了一项在全球引起轰动的进展，成功实现了点火，并首次在核聚变反应中实现“净能量增益”。但在使聚变能源在技术和商业上实现大规模生产和消费方面，仍然存在诸多障碍。

在传统的惯性聚变能方法中，一个由少量氢燃料组成的目标（以氢同位素氘和氚的形式）被冷冻成一个球形外壳，然后用激光轰击外壳，将中心燃料加热到极端的压力和温度。当达到这些条件时，外壳坍塌并点燃，进行聚变。

这个过程会释放出大量的能量，这些能量有可能驱动一个无碳发电厂。但是聚变发电厂的落地运营仍然只停留在一个假设，每天需要近一百万个目标。目前使用冷冻制备工艺制造靶丸燃料的方法成本高，而且靶丸燃料本身生产的难度也挺大。

而上述团队的方法，则使聚变激光器本质上可以制造自己的燃料颗粒。目前，这种颗粒是通过一个复杂而昂贵的过程制造的，包括使用液氦将氘和氚（氢的放射性同位素）冷冻到绝对零度以上仅11开氏度的温度，然后将它们分层放置以形成颗粒。

对于一个不需要担心收支平衡的实验室实验来说，这可能没啥大问题。但可以设想一下：一个正常运行的聚变反应堆，每天就需要大约一百万个这样的燃料球。这种靶丸燃料的消耗量可想而知。

因此，罗切斯特团队开发了新的“动态成壳”技术，使反应堆中的激光器在内爆和点火之前在激光爆炸中产生自己的燃料片，从而实现创建聚变发电厂的目标。采用这种成本较低、可投入实际生产的靶丸点火方法，科学家们无需使用固体颗粒，而是将氘和氚注入泡沫胶囊中。巧妙之处在于，当激光阵列射向太空舱时，光束会使太空舱坍塌成一个密度与氘－氚液体燃料相同的球体，然后发生内爆。

这一目标概念与LLE目前正在开发的高效激光系统相结合，将为聚变能提供一种非常有吸引力的解决方案。目前，该过程只是使用LLE的OMEGA激光器概念验证的缩小版。然而，该团队声称，未来他们将研发出具有更长、更高能脉冲的激光器，终有一天能够使这种新型胶囊顺利点火。