激光网2月25日消息，核聚变是一种自然现象，它为我们的星球提供了大部分能量——在数百万英里外的太阳中心产生。
在地球上，科学家们正试图复制导致核聚变的炎热和密集条件。在恒星的中心，引力压力和高温激发并挤压足够近的原子，以融合它们的原子核并产生多余的能量。
“核聚变研究的最终目标是重现恒星中一直发生的过程，”能源部SLAC国家加速器实验室的科学家Arianna Gleason说。“两个轻原子聚集在一起并融合形成一个更重、更稳定的原子核。结果，多余的质量——一个原子核的质量比形成它的两个原子核的质量小——被转化为能量并被带走。
剩余的质量变成能量，这要归功于爱因斯坦著名的 E=mc2方程。在地球上实现核聚变非常简单，而且在过去的几十年里，人们已经多次使用各种设备实现了核聚变。困难的部分是使该过程自我维持，以便一个聚变事件驱动下一个聚变事件，以产生持续的“燃烧等离子体”，最终可以产生清洁，安全和丰富的能量来为电网供电。
“你可以把这想象成一根火柴，”艾伦·弗莱解释道。SLAC 的 Matter in Extreme Conditions Petawatt Upgrade 项目总监。“一旦点燃，火焰就会继续燃烧。在地球上，我们必须创造合适的条件 - 非常高的密度和温度 - 才能使这个过程发生，而做到这一点的方法之一就是使用激光。
进入惯性聚变能，这是一种使用聚变燃料和激光建造商业聚变发电厂的潜在方法。自从劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火设施的科学家一再证明聚变反应在世界任何地方首次产生净能量增益以来，IFE获得了越来越多的国家支持。
“通过强烈的激光束，我们实现了点火，这意味着我们从聚变目标中获得的能量比投入其中的激光能量更多，”光子科学教授兼SLAC高能量密度科学部门主任Siegfried Glenzer解释道。
NIF使用的技术被称为惯性约束聚变，是正在探索的用于创建聚变能源的两个主要想法之一。另一种称为磁约束聚变，它利用磁场以等离子体的形式容纳聚变燃料。
在惯性约束聚变中，等离子体是使用强激光和充满氢的小颗粒产生的，氢通常是氘和氚，原子核中分别有一个和两个中子的同位素。颗粒被一种轻质材料包围，当被激光加热时，该材料会向外蒸发。当它发生时，就会向内发生净反应，从而引发内爆。
“这基本上是一个球形火箭，”弗莱解释道。“通过向外喷射废气，它向相反的方向驱动火箭。在这种情况下，颗粒外部的汽化物质将氢同位素推向中心。
必须精确地应用激光，以使对称的冲击波向氢混合物的中心移动，从而产生开始聚变反应所需的温度和密度。NIF 点火事件使用 192 束激光束来产生这种内爆并导致同位素融合。
“激光技术和我们对聚变过程的理解发展得如此之快，以至于我们现在能够使用激光限制从每个聚变事件中产生燃烧的等离子体，”格里森说。
但还有很长的路要走。专家说，用于惯性聚变能的激光器必须能够更快地发射并变得更有电效率。
NIF的激光器非常庞大和复杂，以至于它们每天只能发射大约三次。为了达到惯性聚变能源，Glenzer说，“我们需要每秒可以运行10次的激光器。因此，我们需要将NIF融合结果与高效的激光和燃料靶技术相结合。
弗莱用汽车气缸中的活塞来比喻单个聚变反应如何加起来产生持续的动力。“每次你注入燃料并点燃它时，它都会膨胀并推动发动机中的活塞，”他说。“为了让你的汽车移动，你必须以每分钟数千转或每秒数十次的速度一遍又一遍地移动，而这正是我们需要用惯性聚变能来将其转化为可行、连续、可持续的动力源。
“为了达到试点聚变工厂所需的能量增益，我们需要从大约两倍的能量输出到NIF实验的当前增益，到我们投入的激光能量的10到20倍，”Glenzer说。“我们的模拟表明，这不是一个不合理的目标，但要实现这个目标需要做很多工作。
更重要的是，目前对点火能量增益的估计并不包括制造激光射击所需的所有能量或电力。弗莱说，要使IFE成为一种能源解决方案，你需要提高整个系统或墙上插头的效率，这将在两个方向上取得进步：更多的能量来自聚变反应，更少的能量进入激光器。
最近宣布的美国能源部赞助的惯性聚变能源科学和技术中心汇集了来自多个机构的专业知识，以应对这些挑战。
SLAC是三个中心中两个中心的合作伙伴，带来了实验室在高重复率激光实验、激光系统和所有相关技术方面的专业知识和能力。
“一个令人兴奋的发展是科罗拉多州立大学和SLAC计划的新激光设施，”由科罗拉多州立大学领导的RISE中心的副主任Glenzer说。科罗拉多州立大学的高功率激光设施和SLAC直线加速器相干光源的MEC-U项目将基于最新的激光架构，并将以每秒10次的速度提供激光脉冲。
“在过去的十年里，LCLS一直在以每秒超过100次的速度操作激光器，这意味着我们在进行高重复率实验方面拥有非常强大的技术专长，”Glenzer说。“我们已经开发了新的靶标、诊断和检测器，它们可以利用高重复率，并且在这个领域相当独特，并且与我们希望通过IFE实现的目标非常匹配。”
但是，关于如何以每秒 10 次的速度精确击中腔室中心的目标，使目标碎片和聚变功率不会影响或损坏激光或目标插入，还有很多东西需要学习。
弗莱说，作为由LLNL领导的STARFIRE中心的合作伙伴，SLAC将为IFE激光系统制定详细的技术要求，这些要求与SLAC正在进行的MEC-U项目密切相关。
“MEC-U的先进激光器将使用更有效的方式将能量驱动到激光器中，并采用先进的冷却方案以更高的重复率运行。我们正在开发的技术，以及我们可以用它来回答的科学问题，对IFE来说是很有吸引力的。
此外，来自LCLS的超亮X射线可以帮助科学家了解氢燃料在核聚变过程中发生了什么，或者从颗粒上吹出的材料中发生了什么导致内爆。
事实上，材料在IFE的发展中起着关键作用，格里森说。“使用激光均匀和球形地内爆目标非常困难，因为材料总是有缺陷的：在中间尺度上存在位错、缺陷、化学不均匀性、表面粗糙度和孔隙率。简而言之，材料总是存在变化和缺陷。
她说，她感到兴奋的一件事是在原子水平上更好地了解IFE所涉及的材料，以测试和完善特定IFE设计的物理模型。
“在SLAC，我们拥有非凡的工具来深入研究材料。通过了解缺陷的物理特性，我们可以将它们的“缺陷”转化为可以在设计中考虑的特征——我们可以有很多旋钮来调整融合过程中的压缩。
这三位研究人员都热衷于解决的另一个重大挑战是建立进行研究和运行未来聚变能源设施所需的劳动力。
Glenzer说，这些中心包括为学生参与提供资金。“我们将培训下一代科学家和技术人员，以利用这些新能力。
弗莱和格里森也强烈希望吸引人们进入这个领域，这样聚变能源在发展过程中就会成为一个包容性的企业。
“我们将需要工程师、技术人员、操作员、人力资源和采购专业人员等，”格里森说。“我认为很多年轻人可以团结起来支持核聚变，并通过做一些推动气候危机的事情来感到有力量——他们希望在有生之年看到改变。”
格伦泽相信他们会的。“人们一直在猜测建造一座聚变能源工厂需要30年时间，但最近的点火突破使这一前景更接近现实。在NIF过去10年的工作中，我们已经将聚变增益增加了1,000，“他说。
“清洁、公平和丰富的能源的潜力——以及伴随聚变能源发展而来的所有科学技术——非常令人兴奋。
LCLS是美国能源部科学办公室的用户设施。聚变能源中心是由美国能源部的惯性聚变能源科学与技术加速器研究计划形成的。
