美能源部拨款推进惯性聚变能源项目研究

近日，美国能源部（DOE）已向三个新的激光核聚变中心拨款4200万美元，用于开发未来可行的清洁能源技术。在科罗拉多州立大学（CSU）、罗切斯特大学（University of Rochester）和劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）研究人员的领导下，三个团队将在国家实验室国家点火装置（NIF）突破性工作的基础上再接再厉。

该计划被统称为“IFE-STAR”（惯性聚变能源科学技术加速研究），旨在开发高增益目标设计、高重复率高效激光器、惯性聚变能源相关聚变目标制造、跟踪和参与。美国能源部部长Jennifer Granholm在新闻稿中表示：“利用核聚变能源是21世纪最大的科技挑战之一。我们现在有信心，聚变能源有可能成为现实。”

这些努力是为了支持拜登总统提出的“Moonshot”目标，即在2032年之前展示几种不同类型核聚变发电厂的概念验证。在COP28气候峰会上，美国代表团启动了一项支持核聚变能源发展的国际战略。

据能源部称，在IFE-STAR项目中，LLNL和CSU领导的团队将在四年期内获得1600万美元，而罗切斯特的团队将获得1000万美元。每个中心都有许多合作实验室和商业伙伴，并有一些国际组织参与其中，包括弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）和通快（Trumpf）都是LLNL中心的一部分，而总部位于慕尼黑的初创公司Marvel Fusion则加入了CSU的协调工作。

LLNL的Tammy Ma（左）和Fraunhofer ILT主任Constantin Haefner在今年早些时候于慕尼黑举行的激光光子世界大会上讨论基于激光的惯性聚变能的潜力

在Tammy Ma的领导下，LLNL的聚变创新和反应堆工程的科技加速研究中心有来自七所大学和四个美国国家实验室以及弗劳恩霍夫激光技术研究所的参与，期间包括对二极管泵浦激光源的开发。通快是参与其中的几家商业合作伙伴之一，其他合作伙伴包括聚变初创公司 Xcimer Energy、Focused Energy Inc.。

ILT研究所所长Constantin Haefner博士表示：德国在激光器、光学、生产工程、发电厂技术等方面拥有丰富的研发历史，在开发实现聚变发电厂的关键技术方面具有得天独厚的优势。

CSU的拍瓦升级
该项目称为“RISE”，以SLAC国家加速器实验室为共同领导者，在首席研究员Carmen Menoni的领导下，以CSU为总部的努力将初具规模。CSU宣布：实验将利用其ALEPH激光器的功率，这是一种高重复率、拍瓦级激光系统，将升级到两拍瓦。

Menoni尼说：我们设想该中心将成为吸引人才的吸铁石，以支持能源部在工频领域的使命。我们很高兴能与世界一流的专家团队合作，他们致力于将 IFE变为商业现实。今年早些时候，Marvel Fusion公司宣布将与CSU合作建设一个价值1.5亿美元的新实验室。柯林斯堡的新设施预计于2026年完工，将配备至少三套激光系统，每套系统的峰值功率都达到数百兆瓦，重复频率为10赫兹。

CSU补充说，RISE中心将把创新的目标概念与准分子气体激光器和固体光源的新发展结合起来，以开辟新的IFE机制。Xcimer Energy公司称，通过使用准分子源，可以大大降低IFE设备激光元件的成本。

罗切斯特中心瞄准宽带源
罗切斯特中心被命名为“IFE-COLoR”，是“惯性聚变能源-LPI（激光等离子体相互作用）研究联盟”的简称，它将汇集著名的激光能效实验室（LLE）的专家以及加州大学洛杉矶分校和内布拉斯加大学林肯分校的学术合作伙伴。

除Xcimer公司外，位于西雅图的机器学习公司Ergodic也参与其中，该公司拥有将计算等离子体物理建模应用于激光核聚变的专业知识。开发惯性聚变能源系统的具体挑战之一是将激光驱动器的能量有效地耦合到聚变目标上，IFE-COLoR中心将通过减少激光产生的等离子体中的不稳定性来直接解决这一问题。

罗切斯特激光能效实验室在进行直接驱动惯性聚变实验时从 "OMEGA "靶室内部看到的景象

由首席研究员达Dustin Froula领导的研究小组指出：自20世纪60年代以来，激光等离子体的不稳定性一直困扰着惯性约束聚变驱动器的发展。IFE-COLoR团队的方法是在最近为短脉冲激光器开发的宽带激光技术的基础上，提供一种新型宽带长脉冲激光器，预计这种激光器可以缓解激光等离子体不稳定性。

成功做到这一点将使90%以上的激光能量与内爆耦合，从而创建一个实用、经济的激光驱动IFE系统。为了展示这种新方法的科学性，LLE开发的最先进激光器将被耦合到新的第四代超宽带激光实验实验室中。

Froula指出：从最初的实验开始，科学家们就希望使用具有多种颜色的[宽带]激光器来缓解激光等离子体的不稳定性。我们花了五十多年的时间来开发技术和科学，使实验能够展示激光等离子体科学，这将成为未来直接驱动惯性聚变能源系统的基础。