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此前，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布報(bào)告稱，基于實(shí)驗(yàn)室“國家點(diǎn)火設(shè)施”（NIF）而研發(fā)的近燃聚變反應(yīng)收獲了好消息，這也為由激光驅(qū)動(dòng)的聚變能源系統(tǒng)推向市場增強(qiáng)了信心。甚至在NIF宣布這一消息之前，全球至少有四家初創(chuàng)公司已經(jīng)吸納了數(shù)百萬美元投資，用于將激光驅(qū)動(dòng)聚變實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，也稱為慣性聚變能（inertial fusion energy，IFE）。

慣性聚變能即基于慣性約束聚變獲得潔凈的氘氚聚變能，是一種具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的新型能源?，F(xiàn)在投身于慣性聚變能的公司，要么正在尋求新的投資，要么就是已經(jīng)獲得了新的資助。到目前為止，IFE研究包括數(shù)值模擬和激光實(shí)驗(yàn)。

三家商業(yè)公司將他們的美好愿景寄托在短脈沖拍瓦級(jí)激光器的出現(xiàn)上。這些公司相信短脈沖拍瓦級(jí)激光器的高強(qiáng)度飛秒到皮秒長脈沖可以超越慣性聚變能的性能，從而產(chǎn)生激發(fā)點(diǎn)燃聚變反應(yīng)需要的數(shù)倍能量。

羅徹斯特大學(xué)OMEGA EP項(xiàng)目上的光束線，目前是美國最強(qiáng)大的短脈沖激光器（來源：羅徹斯特大學(xué)）

美國羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家Riccardo Betti表示，無需NIF提供的完美對(duì)稱內(nèi)爆環(huán)境就能實(shí)現(xiàn)慣性聚變能，這種非常規(guī)的方式應(yīng)當(dāng)值得鼓勵(lì)和發(fā)展。為了取得今天的成就，參與其中的商業(yè)公司和研究機(jī)構(gòu)耗費(fèi)了數(shù)十億美元和11年的等待。

但他同時(shí)也表示，短脈沖方式的物理學(xué)特性還有待證明，這將需要建造價(jià)值10億美元的激光器，其產(chǎn)生的能量是激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室OMEGA EP激光器（目前美國最強(qiáng)大的短脈沖激光器）的100倍。另外，有兩家公司試圖通過設(shè)計(jì)質(zhì)子和硼-11之間產(chǎn)生聚變的機(jī)制，以進(jìn)一步推動(dòng)聚變實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的步伐。

新技術(shù)

NIF的設(shè)計(jì)并沒有考慮到發(fā)電廠。它得到了能源部國家核安全管理局的支持，作為在沒有地下試驗(yàn)的情況下維持美國核武器儲(chǔ)備的工具。大多數(shù)專家表示，NIF將激光耦合到燃料的間接驅(qū)動(dòng)方法，首先將激光束轉(zhuǎn)換為X射線從而使燃料膠囊內(nèi)爆，但這種方式效率低，不具備商業(yè)價(jià)值。羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任Michael Campbell談到，NIF的“電光轉(zhuǎn)換”（wall-plug）效率，從電網(wǎng)中提取能量沉積在聚變?nèi)剂仙现挥?.5%。

但自從1990年代設(shè)計(jì)NIF以來，激光技術(shù)已經(jīng)取得了進(jìn)步，現(xiàn)在由高效二極管驅(qū)動(dòng)的固態(tài)拍瓦級(jí)激光器的電光轉(zhuǎn)換效率可以超過20%。Campbell表示，這些技術(shù)進(jìn)步對(duì)于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)很有幫助，因?yàn)榧す饪梢詫⒛芰恐苯映练e到燃料上。

現(xiàn)代拍瓦級(jí)激光器由啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）實(shí)現(xiàn)。目前世界上擁有拍瓦級(jí)激光器的研究機(jī)構(gòu)包括歐盟“極光基礎(chǔ)設(shè)施”項(xiàng)目擁有兩個(gè)組件激光器；中國上海超強(qiáng)超快激光裝置；日本大阪激光工程研究所；美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室和羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

Innoven Energy計(jì)劃使用兩臺(tái)氟化氪激光器（圖中僅顯示一臺(tái)）實(shí)現(xiàn)內(nèi)爆氘-氚的效果（來源：Innoven Energy）

拍瓦激光器在皮秒脈沖中產(chǎn)生1019-1021W/cm2的峰值強(qiáng)度。相比之下，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的NIF、羅切斯特大學(xué)的OMEGA項(xiàng)目和法國“Laser Megajoule”項(xiàng)目所采用的激光器能產(chǎn)生1015W/cm2，它們在納秒持續(xù)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)十千焦到兆焦的能量。最近NIF取得了一項(xiàng)突破，在脈沖長度為8 納秒內(nèi)產(chǎn)生了1.9兆焦耳的能量。

NIF、OMEGA和Laser Megajoule是閃光燈泵浦激光器，每天最多只能發(fā)射幾次。這與經(jīng)濟(jì)上可行的慣性聚變能所需的每秒多個(gè)脈沖相去甚遠(yuǎn)。大多數(shù)反應(yīng)堆概念都設(shè)想用激光發(fā)射燃料芯塊，燃料芯塊以穩(wěn)定的速度落入目標(biāo)室并排出熱能以產(chǎn)生蒸汽。目前的一些拍瓦級(jí)激光器可以以1Hz或更高的頻率發(fā)射。

玩家們

總部位于德國慕尼黑的初創(chuàng)公司Marvel Fusion首席技術(shù)官Georg Korn認(rèn)為，超短脈沖拍瓦級(jí)激光器可以克服流體動(dòng)力不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性阻礙了NIF的燃料對(duì)稱內(nèi)爆并達(dá)到點(diǎn)火條件。他接著表示，Marvel Fusion并沒有建造自己的激光器而是在18-24個(gè)月的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中，與目前已有拍瓦級(jí)激光器的研究機(jī)構(gòu)達(dá)成緊密合作。具體來說，Marvel Fusion計(jì)劃用硼-11B激發(fā)這些強(qiáng)大的激光器。

使用質(zhì)子和硼-11B產(chǎn)生聚變不需要氚和不產(chǎn)生中子，燃料便宜且豐富。產(chǎn)生的阿爾法粒子足以直接通過磁感應(yīng)發(fā)電，這將消除對(duì)使用蒸汽和渦輪機(jī)的需求。但是熱硼-11B反應(yīng)所需的溫度超過30億開爾文，大約是NIF和世界各地托卡馬克裝置產(chǎn)生D-T反應(yīng)的10倍。此外，硼-11B聚變產(chǎn)生的能量僅為D-T反應(yīng)生成能量的一半，批評(píng)人士稱這將使創(chuàng)造可行的聚變功率變得更加困難。對(duì)于Marvel Fusion而言，Korn表示硼-11B是一種優(yōu)于D-T的燃料，公司希望實(shí)現(xiàn)依賴專有納米結(jié)構(gòu)目標(biāo)的非熱點(diǎn)火過程。

Bedros Afeyan是一家從事激光-等離子體相互作用研究公司的總裁，他表示像Marvel Fusion將希望放在硼-11B上的努力注定要失敗。除了離子溫度超過100開爾文外，硼-11B沒有放熱反應(yīng)，我們甚至不知道如何使幾開爾文的等離子體燃燒。

Betti指出，除了極端溫度要求外，硼-11B聚變反應(yīng)發(fā)生的概率比D-T聚變反應(yīng)小得多。D-T聚變已經(jīng)非常困難，而硼-11B在制造有用能量的要求方面要困難得多。目前在拍瓦級(jí)激光器上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的機(jī)構(gòu)包括大阪激光工程研究所，期間產(chǎn)生了大量的硼-11B聚變和阿爾法粒子，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于點(diǎn)火和有用能量產(chǎn)生所需的數(shù)量。事實(shí)上，Korn本人和其他研究者公布了2020年大阪實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，基于 硼-11B反應(yīng)的聚變反應(yīng)堆顯然并不適用于未來。

Marvel Fusion選擇硼-11B核聚變路線的部分原因是避免對(duì)氚的需求和中子的產(chǎn)生，同時(shí)還可以滿足德國的反核情緒，這個(gè)國家正在逐步淘汰核電。迄今為止，公司已經(jīng)從Blue Yard Capital和未具名的天使投資者那里籌集了3000萬歐元（約合3550萬美元）。但公司在選擇硼-11B后卻失去了主要的資金支持者SKion，即德國億萬富翁Susanne Klatten的投資公司。

另一個(gè)寄希望于硼-11B的是HB11，這是一家由新南威爾士大學(xué)核聚變物理學(xué)家Heinrich Hora 創(chuàng)建的澳大利亞公司。這家位于悉尼的初創(chuàng)公司計(jì)劃使用短脈沖拍瓦級(jí)激光器，但其確切的技術(shù)方法仍在制定中。

澳大利亞沒有拍瓦級(jí)激光器，HB11也不打算自己建造。這家公司的研究計(jì)劃主要由其他大陸設(shè)施的受資助研究人員進(jìn)行。HB11最大的資金支持者是德國科技企業(yè)家Lukasz Gadowski。目前，公司已經(jīng)籌集到480萬澳元（約合350萬美元）。

堅(jiān)持D-T路線

Focused Energy是另一個(gè)可能實(shí)現(xiàn)慣性聚變能商業(yè)化的玩家，與Marvel Fusion有著相似的成立背景。但是當(dāng)Marvel Fusion決定采用硼-11B時(shí)，兩家公司前進(jìn)的道路出現(xiàn)了分歧。曾擔(dān)任Marvel Fusion首席科學(xué)官的Markus Roth于2020年離職，并創(chuàng)立了Focused Energy。

Focused Energy計(jì)劃的雙激光器方案是先用一臺(tái)納秒長脈沖激光器壓縮D-T燃料，然后用第二臺(tái)拍瓦級(jí)激光器發(fā)出的皮秒長脈沖點(diǎn)燃?jí)嚎s后的燃料斑點(diǎn)，該脈沖將擊中薄球形箔（微米大?。碜圆趁娴募铀儋|(zhì)子會(huì)將能量集中到燃料上。

與NIF采用的方式相比，雙脈沖方法將使燃料艙的缺陷問題更小。Roth說，所需的總激光能量計(jì)劃為500kJ-750kJ，約為NIF能量輸出的四分之一。Focused Energy首席執(zhí)行官Thomas Forner表示，公司已從美國投資者獲得了資金支持，包括科技企業(yè)家Marc Lore和退休的紐約洋基隊(duì)球員Alex Rodriguez，他們是一家風(fēng)險(xiǎn)投資基金的合伙人。

總部位于美國加州圣迭戈的Innoven Energy的氟化氪(KrF)氣體激光技術(shù)，是為戰(zhàn)略防御計(jì)劃而開發(fā)的，旨在使敵方衛(wèi)星失去能力。盡管這種技術(shù)從未部署過，但在美國能源部國家核安全管理局的資助下，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室和海軍研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家一直在探索該技術(shù)的聚變潛力。KrF激光器的發(fā)明者Robert Hunter Jr是Innoven Energy的首席執(zhí)行官。

該公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Conner Galloway表示，公司目標(biāo)是將微秒長的KrF脈沖縮短到納秒。在計(jì)劃中的雙激光器間接-直接驅(qū)動(dòng)方法中，來自相對(duì)激光器的光束將被引導(dǎo)到D-T燃料腔室。

Afeyan表示，Innoven Energy的KrF激光器需要大口徑光學(xué)器件，這在商業(yè)上不太可行。Betti 也同意研發(fā)兆焦耳級(jí)別KrF激光器建非常困難，但他也說KrF激光器發(fā)出的光本質(zhì)上比NIF采用的固態(tài)激光器具有更好的內(nèi)爆特性。他認(rèn)為應(yīng)該更仔細(xì)地研究KrF激光器。