从点火突破到发电厂之路， 美德联合攻坚下一代高能激光系统

在“下一代惯性约束聚变激光器国际合作”项目中，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室与德国弗劳恩霍夫激光技术研究所正全力整合双方先进的激光仿真模型。两家世界领先的研究机构正汇聚其激光设计与仿真领域的专业力量，共同推动激光点火惯性约束聚变从实验阶段迈向工业应用。

在美国国家点火装置的建造过程中，现场专门建立了生产线用于制造激光玻璃板

双方共同致力于开发能够点燃聚变反应、并在7×24小时发电厂运行中实现最高效率的高能激光系统。这需要对激光性能进行极其精确的预测，因此强大的计算机仿真技术在激光架构研发中发挥着核心作用。

从实验到发电厂：下一个重大难关

在美国国家点火装置中，工程师们主要致力于解决等离子体物理问题，例如将氘氚聚变燃料加热至超1亿摄氏度、进行极限压缩并触发自持聚变反应所需的条件。当反应发生时，释放的能量将超过外部激光注入燃料靶丸的能量。

多片式板条放大器，用于高功率激光系统的核心放大部件。其结构通常由多层平行的激光增益介质板（如玻璃或晶体板）堆叠而成，板间通过冷却介质流动进行热管理。这种设计能有效扩大增益体积、分散热负载，是实现高平均功率激光输出的关键技术路径，尤其适用于未来聚变能源等需要重复频率运行的高能激光系统

自2022年底取得突破以来，劳伦斯利弗莫尔国家实验室已多次验证该物理原理的可行性，且能量输出持续提升。然而，单次点火远不能满足未来发电厂的需求——电厂约需每秒完成15次点火。这要求采用高效率的二极管泵浦固体激光器，使其能够实现每秒数十次的发射频率。

当前，两大激光技术巨头——劳伦斯利弗莫尔国家实验室与弗劳恩霍夫激光技术研究所——正整合双方互补的专业优势共同研发此类激光器：前者拥有数十年高能激光技术经验，而位于亚琛的研究所则是二极管泵浦固体激光器研发与工业规模化应用领域的全球领导者。

未来硬件的虚拟压力测试

在建造昂贵的原型机之前，必须通过仿真验证激光设计方案。在“下一代惯性约束聚变激光器国际合作”项目中，合作双方致力于实现高能激光器放大级的精细化仿真——以此为后续设计奠定基础。

研究团队聚焦于系统的核心部件——激光放大器。这些放大器将初始的微弱激光脉冲放大至聚变所需的能量级别，其光子可传递数百万焦耳的能量。用于此目的的激光介质由多层激光玻璃或晶体板堆叠而成，面积可达40厘米×40厘米，厚度仅数毫米；运行时需通过透明冷却介质进行冷却。这些放大板承受着巨大的热应力与光学应力。

弗劳恩霍夫激光技术研究所项目经理Johannes Weitenberg解释道：“7×24小时连续运行会导致热效应、折射效应和像差，这些都可能扭曲激光光束。在此过程中，即使是最微小的不可预测效应都至关重要，可能导致效率损失或直接造成光学元件损伤。我们需要精确理解每一片放大板内部发生的物理过程，从而实现对复杂板堆结构的精准仿真。”

独立交叉验证：双重模型保障可靠性

在下一代惯性约束聚变激光器的国际合作研究项目中，合作双方将精心比对各自历时多年研发的仿真解决方案，以实现日益精细化、拟真化的仿真模拟。他们将在不交换实际代码的前提下，系统性地进行仿真比对与交叉验证。

Weitenberg明确表示：“我们的目标并非合并仿真模型，而是相互借鉴、双重校验结果。”尽管如此，这种系统化方法在科学、技术和经济层面极具价值：通过将各自在不同应用领域成熟开发的独立代码应用于同一设计方案，合作方能确保其仿真预测具备极强的稳健性与可靠性。这一策略可大幅加速实际发电厂用激光器的研发进程，并在价值数十亿的研发流程中规避代价高昂的失误。

此次合作汇聚了两家机构自20世纪90年代以来系统构建与深化的尖端专业能力，旨在大幅缩短研发周期。通过仿真验证设计方案，合作双方不仅能规避技术风险，更能避免巨大的财务风险：考虑到未来发电厂设计可能涉及多达400条光路，在转入批量生产时任何微小的疏漏都可能导致巨额成本损失。

清洁能源战略伙伴关系

劳伦斯利弗莫尔国家实验室聚变研究负责人Tammy Ma阐释道：“从基础研究转向发电厂开发，需要快速、稳健地研制出坚固耐用的新型激光系统。弗劳恩霍夫激光技术研究所在二极管泵浦激光器工业规模化领域的专业知识，对加速惯性聚变能源计划至关重要。通过合作，我们将高效夯实聚变发电厂的技术基础。”弗劳恩霍夫应用研究促进协会科研与转化执行副总裁Constantin Häfner教授强调：“我们正处于聚变能源发展的决定性十年。要释放惯性聚变的全部潜力，必须以毫不妥协的完美标准开发新型激光架构。将劳伦斯利弗莫尔国家实验室的专业实力与弗劳恩霍夫协会及其激光技术研究所的工业规模化经验相结合，是对这一挑战的有力回应。我们正在为未来的发电厂奠定基石。”

聚变发电厂能够持续产生具有竞争力、气候中性的电力，成为波动性可再生能源的重要补充。通过下一代惯性约束聚变激光器国际合作项目，德国与美国正共同为这项未来技术奠定数学基础。

 作者：弗劳恩霍夫激光技术研究所

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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