激光驱动的直接聚变方法有望简化发电是怎么回事？

一种用激光产生聚变能的更简单的技术有望使这种方法更具成本效益——前提是它可以扩大规模。

罗切斯特大学的一个使用Omega激光系统的团队报告了这一进展，该进展建立在2022年的突破之上，其中国家点火设施引发了核聚变反应，产生的能量超过了用于产生它的激光束。但是，研究人员说，通过从该技术中去除一层材料，从而消除复杂性，新的“直接驱动”方法可能更适合未来的电力生产。

“这是一个非常重要的结果，”伦敦帝国理工学院的等离子体物理学家史蒂文·罗斯说，他没有参与这项研究。

核聚变通过利用为太阳提供动力的核物理学，承诺提供丰富的无碳能源。目标是迫使重氢同位素、氘和氚的原子核融合以产生氦核和中子。几十年来，科学家们一直在努力达到产生这种反应所需的1亿摄氏度或更高的温度。许多努力使用称为托卡马克和恒星器的强大磁笼来捕获和加热燃料。相比之下，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的NIF使用激光将胡椒粒大小的燃料胶囊内爆，直到其核心的压力和温度点燃聚变燃烧。

2022 年 12 月，NIF 研究人员发射了 2.05 兆焦耳的激光脉冲，产生了 3.15 MJ 的能量——相当于三根炸药棒，这一结果今天发布在《物理评论快报》上。尽管这些数字表明等离子体中的聚变产生的能量比注入的激光更多，但它需要150倍的能量来产生激光脉冲。

这种聚变的挑战是以完美的球对称性压缩燃料。任何瑕疵和压缩气体都会不可预测地凸出，就像蹒跚学步的孩子挤压的水气球一样，降低核心温度。尽管NIF的192束光束从各个方向汇聚在燃料上，但研究人员采取了额外的措施来改善对称性，方法是用铅笔橡皮擦大小的金圆柱体包围胶囊。激光加热圆柱体，使其用 X 射线轰击胶囊。然后，太空舱的薄金刚石外壳蒸发，像火箭发动机一样向外爆炸，并对称地向内挤压燃料。但这种技术对于千兆瓦级的发电厂来说可能太昂贵了，因为千兆瓦级的发电厂每天要消耗近100万个金瓶和燃料舱，并且每秒需要清除10次射击的碎片。

更简单的直接驱动方法取消了那些金圆柱体，将欧米茄的 60 束激光束直接照射到微小的燃料舱上以使其蒸发。如果没有 X 射线的平滑效应，R 大学激光能量学实验室的团队需要更高质量的激光束，能量均匀分布在波前，以完美的对称性收敛。在最近的拍摄中，该团队调整了胶囊的设计，在聚合物外壳中添加了硅以改善能量吸收，LLE 的 Varchas Gopalaswamy 解释说。虽然NIF每天可以发射一次，但较小的Omega每天可以进行多达10次射击，使LLE研究人员能够快速调整他们的设置。

然而，欧米茄的胶囊太小，无法实现燃烧的等离子体，当等离子体内聚变反应产生的热量维持更多反应时，就会发生这种情况——就像燃烧原木产生的热量维持更多的燃烧一样。因此，LLE研究人员从他们的结果中推断出，如果他们使用更大的胶囊和像NIF一样强大的激光，使用一种称为水力等效缩放的数学技术，他们会取得什么成就。

研究人员今天在《自然物理学》上的两篇论文中描述了性能最好的镜头，放大到NIF尺寸的4.2倍，将从2.15MJ的脉冲中产生1.6 MJ。虽然这不是能量增益，但它会产生燃烧的等离子体。该团队希望进一步的调整能够让他们进行拍摄，如果扩大规模，将产生能量增益。“这是我们的目标，我们应该在不进行重大修改的情况下实现它，”LLE首席科学家Riccardo Betti说。

卢瑟福阿普尔顿实验室的罗比·斯科特说，对于那些希望通过激光聚变发电的人来说，这是个好消息，因为在将能量从激光转移到燃料中时，直接驱动比NIF的效率高五倍。此外，Rose说，对于直接驱动，“目标要简单得多，而且可能更容易制造。几家初创公司已经在制定将该技术商业化的计划，能源部也支持这项工作。2023 年 12 月，它宣布投入 4200 万美元创建三个致力于激光聚变的多学科中心，其中包括一个由 LLE 领导的中心。