激光驅(qū)動(dòng)的聚變促進(jìn)清潔能源，第二部分

有一部分人認(rèn)為，使用激光直接照射膠囊并導(dǎo)致內(nèi)爆的直接驅(qū)動(dòng)是有市場的方法。當(dāng)然，這是羅切斯特大學(xué) LLE 長期使用的策略，Ditmire 補(bǔ)充說。

“但我們還有一個(gè)額外的突破。這來自馬庫斯過去在利弗莫爾所做的研究，并且我們多年來一直在努力。我們現(xiàn)在知道這些拍瓦激光器可以產(chǎn)生非常明亮的質(zhì)子爆發(fā)。因此，當(dāng)您聚焦強(qiáng)激光時(shí)，我們談?wù)摰氖瞧っ牖騺喥っ爰す猓鋸?qiáng)度可以達(dá)到 10 20 W/cm 2，因此強(qiáng)度比 NIF 高許多數(shù)量級，即 10 15W，”他說?！暗峭ㄟ^短脈沖，我們可以產(chǎn)生更高、更高的強(qiáng)度，這意味著電場要高得多。這意味著它們將電子加速到非常高的能量，從幾十到幾百兆伏。在 1990 年代后期，在利弗莫爾，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)您將這樣的激光聚焦在薄箔上時(shí)，電子會穿過箔并將質(zhì)子從背面拉出。他們發(fā)現(xiàn)這會產(chǎn)生強(qiáng)烈且非常明亮的質(zhì)子爆炸?！?

“馬庫斯在20 年前寫了一篇開創(chuàng)性的論文，其中他提議使用這些質(zhì)子作為聚變?nèi)剂系狞c(diǎn)火器。傳統(tǒng)方法的工作方式就像柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。沒有火花塞，但本質(zhì)上，你壓縮，通過壓縮，你加熱你壓縮的材料。問題是壓縮必須完全對稱。挑戰(zhàn)在于獲得那個(gè)熱點(diǎn)。這就是為什么我們的方法來自利弗莫爾的一個(gè)想法，但使用質(zhì)子，即所謂的快速點(diǎn)火?！?

目標(biāo)是通過用這些質(zhì)子作為火花塞加熱壓縮燃料來傳播燃燒。利弗莫爾最初的想法是使用電子的問題在于它們很輕并且相互排斥，因此它們在進(jìn)入聚變?nèi)剂蠒r(shí)會擴(kuò)散得很遠(yuǎn)。馬庫斯的解決方案是使用質(zhì)子，因?yàn)樗鼈儽入娮痈夭⑶冶憩F(xiàn)得更好。

“我們將我們使用的策略稱為質(zhì)子快速點(diǎn)火，”Ditmire 解釋說。“為了產(chǎn)生這種質(zhì)子爆發(fā)，我們使用長脈沖激光進(jìn)行直接壓縮，然后發(fā)射超快激光脈沖。”

根據(jù) Ditmire 的說法，根據(jù) Livermore 的結(jié)果，認(rèn)為在熱點(diǎn)產(chǎn)生點(diǎn)火需要大約 15 kJ?！拔覀冎?，我們已經(jīng)在試驗(yàn)中證明，在我們需要的能量范圍內(nèi)，我們可以以大約 10%(正負(fù))的效率加速質(zhì)子。因此，如果我們需要 15 kJ 的質(zhì)子，我們就需要 150 kJ 的短脈沖激光器。因此，在本世紀(jì)末之前，我們公司計(jì)劃在此基礎(chǔ)上建造一個(gè)點(diǎn)火級激光設(shè)施。我們的目標(biāo)是在本世紀(jì)末建立一個(gè)點(diǎn)火規(guī)模的工廠，并計(jì)劃在 2029 年底建立一個(gè)可信的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。”

目標(biāo)是提高效率，正如 Ditmire 所說，這有兩個(gè)考慮因素。

“我們需要 100 的聚變增益，這是激光器聚變能量的 100 倍，因此我們正在建造的第一臺激光器旨在實(shí)現(xiàn)高增益，”他說?！叭欢?，第二個(gè)方面是你需要高效率。最終，您需要一種不僅非常高效，而且以高重復(fù)率發(fā)射的激光器，每秒至少 10 次。這將需要新的激光技術(shù)。因此，雖然我們正在開發(fā)物理以達(dá)到高增益，這是第一個(gè)支柱，但我們正在并行開發(fā)，特別是在德國，開發(fā)具有高電效率和高重復(fù)率的激光器技術(shù)。我們再次以源自利弗莫爾的技術(shù)為基礎(chǔ)。英國也有一些作品起源于盧瑟福。在這里，我們的想法是仍然使用釹玻璃。所以我們?nèi)匀皇褂孟嗤牟牧希?

“我們不需要維持等離子體條件，而是創(chuàng)造它，”Ditmire 補(bǔ)充道?！盎旧?，這個(gè)想法是壓縮和加熱它。然后融合接管。所以在等離子體中沒有限制，沒有反饋。所以對我們來說，你需要壓縮到高密度，這意味著你需要良好的對稱性，比如用手指壓縮一個(gè)橙子。如果你只有幾根手指，橙子會噴出或噴到手指上。所以首先要做的是壓縮到高密度。這很有挑戰(zhàn)性，但可行。”

下一個(gè)目標(biāo)是改進(jìn)以 10 Hz 高效發(fā)射的激光器。第二件事是你必須擊中一些東西才能使融合起作用，這意味著你需要一個(gè)目標(biāo)。

“因此，如果一個(gè)聚變發(fā)電廠以 10 Hz、每秒 10 倍的速度運(yùn)行，則每天需要 900,000 個(gè)目標(biāo)，”Ditmire 說?！袄ツ獱枎缀跣枰獛讉€(gè)月的時(shí)間才能建立一個(gè)完美的目標(biāo);我們必須開發(fā)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)每天一百萬的批量生產(chǎn)目標(biāo)。然后第三件事是提取能量，這意味著你得到了這種聚變，一個(gè)小型的聚變爆炸，向外發(fā)射這些中子，你必須捕獲它們來發(fā)電)?！?

結(jié)論

當(dāng)前的清潔技術(shù)無法滿足預(yù)期的全球能源目標(biāo)。也許能夠滿足預(yù)期需求缺口的唯一清潔、豐富的能源就是聚變。但我們要成功，需要大量的研發(fā)。NIF 在聚變研究中并不孤單。其他項(xiàng)目，例如法國南部正在建設(shè)的大型工廠ITER，正在使用不同的技術(shù)來解決這個(gè)問題。

由于核聚變不會產(chǎn)生有害的、長壽命的放射性廢物或?qū)е職夂蜃兓臏厥覛怏w，因此它將成為地球上理想的能源。

在 NIF 聚變測試中，幾束激光束聚焦在一個(gè)裝有胡椒粒大小的燃料膠囊的微型圓柱體上。當(dāng)強(qiáng)烈的激光爆發(fā)撞擊氣缸時(shí)， X 射線會分散，從而使膠囊的外部汽化并使內(nèi)部的燃料爆炸。

Ditmire 聲稱這種燃料是氘和氚的組合，氘和氚是兩種不同形式的氫，在它們的原子核中分別帶有一個(gè)或兩個(gè)中子。當(dāng)燃料內(nèi)爆時(shí)，會達(dá)到將氫聚變成氦所需的巨大密度、溫度和壓力。氦氣能夠通過稱為阿爾法加熱的過程進(jìn)一步加熱剩余的燃料，從而引發(fā)聚變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

根據(jù) Ditmire 的說法，這個(gè)慣性聚變實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特之處在于以比以前更快的速度進(jìn)行 α 加熱。當(dāng)然，物理學(xué)專家必須解決廣泛的問題和結(jié)構(gòu)缺陷才能做到這一點(diǎn)。目的是通過調(diào)整激光脈沖來優(yōu)化融合。

Focused Energy 的激光聚變之路還創(chuàng)造了開發(fā)近期激光驅(qū)動(dòng)輻射源 (LDRS) 的機(jī)會，以解決國家安全、海事和基礎(chǔ)設(shè)施部門的關(guān)鍵檢查問題。與只能觀察重原子(例如骨骼中的鈣)的 X 射線相比，F(xiàn)ocused Energy 的 LDRS 產(chǎn)生的中子能夠看到由鋼中的氫、各種聚合物中的碳原子和氮炸藥產(chǎn)生的裂縫——所有這些都不會打開或損壞物品。這是一個(gè)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和降低成本的機(jī)會，并有助于發(fā)展分析、工程和材料的可靠性能力。