未來 30 年的世界能源需求需要大幅增加，現(xiàn)有的可再生技術無法滿足。盡管我們還有時間，但研究和開發(fā)對于下一次能源革命的成功至關重要。隨著可再生能源和儲能技術的進一步發(fā)展，聚變能源是縮小差距的一種潛在解決方案。
兩個原子的融合為我們的太陽和宇宙中的恒星提供能量。幾十年來，工程師和科學家一直致力于在地球上實現(xiàn)可控聚變，以運行發(fā)電廠，使用磁鐵和激光來創(chuàng)造必要的條件。
達姆施塔特工業(yè)大學正在支持美國/德國公司Focused Energy，該公司正在探索激光引導慣性聚變能 (IFE) 的想法，這是一種與磁約束不同的方法。應該指出的是，它目前與商業(yè)能源的產(chǎn)生沒有任何關系。在這十年內，F(xiàn)ocused Energy 希望建立一個示范工廠，以證明有足夠的點火、燃燒和增益來發(fā)電。
集中能量
Markus Roth 和 Todd Ditmire 是聚變和激光方面的專家，他們是創(chuàng)始團隊的重要成員。Roth 是該公司的首席科學官，也是 TU Darmstadt 的教授，因其在激光與物質相互作用和等離子體物理學方面的研究而聞名于世;首席技術官 Ditmire 是德克薩斯大學奧斯汀分校的教授，也是高功率激光工程的全球專家。在創(chuàng)立 National Energetics 之前，Ditmire 負責為布拉格的極光基礎設施 (ELI) 項目建造世界上功率最高的激光器之一。
兩人在 IFE 上合作了數(shù)十年，這是一種使用高功率激光束驅動聚變反應的獨特方式。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火設施 (NIF) 在 IFE 方面取得了巨大突破，該設施宣布了通過激光驅動的聚變反應創(chuàng)造的能量新紀錄。
科學家們使用來自加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的 NIF 的強大激光，在短短 100 萬億分之一秒內釋放出 130 萬焦耳的能量(超過 10 萬億瓦的功率)，接近點火點，這是點火點核聚變釋放的能量開始超過引爆所需的能量。來自世界各地的許多公司已經(jīng)獲得了數(shù)百萬美元的資金，用于在 NIF 宣布之前將激光聚變商業(yè)化的計劃。
在用于 IFE 的聚焦能量方法中，來自類似于 NIF 的激光器發(fā)出的納秒長脈沖用于壓縮氘氚燃料。然后，來自第二個拍瓦激光器的皮秒光束會撞擊 1 微米厚的薄球形箔片，點燃壓縮燃料(很像汽油發(fā)動機中的火花塞)。彈道將能量集中在燃料上，質子將從箔的后側加速。據(jù)該團隊稱，雙脈沖策略將使燃料艙缺陷——與 NIF 相比是一個小問題——被忽視。所需的全部激光能量應相當于 NIF 產(chǎn)生的能量的約 25%。這種模式稱為快速質子點火。
發(fā)明人認為，這些拍瓦激光器的高強度飛秒到皮秒脈沖將使它們能夠比 NIF 更好地啟動聚變過程，產(chǎn)生的能量是啟動它們所需能量的許多倍。啁啾脈沖放大(Donna Strickland 和 Gérard Mourou 獲得 2018 年諾貝爾物理學獎)使現(xiàn)代拍瓦級激光器成為可能。拍瓦激光器產(chǎn)生的峰值強度為 10 19 –10 21 W/cm 2皮秒脈沖。相比之下，NIF、Omega 和法國 LMJ 激光器等長脈沖激光器產(chǎn)生的功率約為 10 15 W/cm 2，但每個激光脈沖的能量要高得多。
Ditmire 解釋了該項目是如何產(chǎn)生的：“這一切都始于我的大學時代，當時我使用拍瓦激光器。當我在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室時，我有機會與一位才華橫溢的德國年輕科學家 Markus Roth 一起工作。因此，馬庫斯和我成為了終生的同事和朋友?，F(xiàn)在，我們是 Focused Energy 的聯(lián)合創(chuàng)始人。2008年，我在德克薩斯大學啟動了一個建造拍瓦激光器的項目，完成了一系列關于質子加速的研究。激光器是單發(fā)釹玻璃激光器，現(xiàn)在使用 ELI 激光器可達到約 2 kJ，每三分鐘發(fā)射一次，并對放大器進行液體冷卻。”
聚變能源目標
聚變有兩種方法：磁約束和慣性約束，每種方法都有不同的變化。Focused Energy 的方法是激光驅動的慣性約束。
“另一方面，利弗莫爾的方法是所謂的間接驅動，”Ditmire 說?！斑@是一種有趣的方法，利弗莫爾在融合方面肯定能夠取得更大的收益。然而不幸的是，它效率低下，因為您必須首先將激光轉換為 X 射線。所以你損失了大約 10 倍?！?
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