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激光聚变能源的商业驱动

来源:国际工业激光商情     发布时间:2022-03-02
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此前,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室发布报告称,基于实验室“国家点火设施”(NIF)而研发的近燃聚变反应收获了好消息,这也为由激光驱动的聚变能源系统推向市场增强了信心。甚至在NIF宣布这一消息之前,全球至少有四家初创公司已经吸纳了数百万美元投资,用于将激光驱动聚变实现商业化,也称为惯性聚变能(inertial fusion energy,IFE)。


惯性聚变能即基于惯性约束聚变获得洁净的氘氚聚变能,是一种具有商业应用价值的新型能源。现在投身于惯性聚变能的公司,要么正在寻求新的投资,要么就是已经获得了新的资助。到目前为止,IFE研究包括数值模拟和激光实验。


三家商业公司将他们的美好愿景寄托在短脉冲拍瓦级激光器的出现上。这些公司相信短脉冲拍瓦级激光器的高强度飞秒到皮秒长脉冲可以超越惯性聚变能的性能,从而产生激发点燃聚变反应需要的数倍能量。


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罗彻斯特大学OMEGA EP项目上的光束线,目前是美国最强大的短脉冲激光器(来源:罗彻斯特大学)


美国罗切斯特大学激光能量学实验室首席科学家Riccardo Betti表示,无需NIF提供的完美对称内爆环境就能实现惯性聚变能,这种非常规的方式应当值得鼓励和发展。为了取得今天的成就,参与其中的商业公司和研究机构耗费了数十亿美元和11年的等待。

但他同时也表示,短脉冲方式的物理学特性还有待证明,这将需要建造价值10亿美元的激光器,其产生的能量是激光能量学实验室OMEGA EP激光器(目前美国最强大的短脉冲激光器)的100倍。另外,有两家公司试图通过设计质子和硼-11之间产生聚变的机制,以进一步推动聚变实现商业化的步伐。


新技术


NIF的设计并没有考虑到发电厂。它得到了能源部国家核安全管理局的支持,作为在没有地下试验的情况下维持美国核武器储备的工具。大多数专家表示,NIF将激光耦合到燃料的间接驱动方法,首先将激光束转换为X射线从而使燃料胶囊内爆,但这种方式效率低,不具备商业价值。罗切斯特大学激光能量学实验室主任Michael Campbell谈到,NIF的“电光转换”(wall-plug)效率,从电网中提取能量沉积在聚变燃料上只有0.5%。


但自从1990年代设计NIF以来,激光技术已经取得了进步,现在由高效二极管驱动的固态拍瓦级激光器的电光转换效率可以超过20%。Campbell表示,这些技术进步对于实现直接驱动很有帮助,因为激光可以将能量直接沉积到燃料上。


现代拍瓦级激光器由啁啾脉冲放大技术(CPA)实现。目前世界上拥有拍瓦级激光器的研究机构包括欧盟“极光基础设施”项目拥有两个组件激光器;中国上海超强超快激光装置;日本大阪激光工程研究所;美国德克萨斯大学奥斯汀分校、劳伦斯伯克利国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和罗切斯特大学激光能量学实验室。


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Innoven Energy计划使用两台氟化氪激光器(图中仅显示一台)实现内爆氘-氚的效果(来源:Innoven Energy)


拍瓦激光器在皮秒脉冲中产生1019-1021W/cm2的峰值强度。相比之下,劳伦斯伯克利国家实验室的NIF、罗切斯特大学的OMEGA项目和法国“Laser Megajoule”项目所采用的激光器能产生1015W/cm2,它们在纳秒持续时间内产生数十千焦到兆焦的能量。最近NIF取得了一项突破,在脉冲长度为8 纳秒内产生了1.9兆焦耳的能量。


NIF、OMEGA和Laser Megajoule是闪光灯泵浦激光器,每天最多只能发射几次。这与经济上可行的惯性聚变能所需的每秒多个脉冲相去甚远。大多数反应堆概念都设想用激光发射燃料芯块,燃料芯块以稳定的速度落入目标室并排出热能以产生蒸汽。目前的一些拍瓦级激光器可以以1Hz或更高的频率发射。


玩家们


总部位于德国慕尼黑的初创公司Marvel Fusion首席技术官Georg Korn认为,超短脉冲拍瓦级激光器可以克服流体动力不稳定性,这种不稳定性阻碍了NIF的燃料对称内爆并达到点火条件。他接着表示,Marvel Fusion并没有建造自己的激光器而是在18-24个月的实验计划中,与目前已有拍瓦级激光器的研究机构达成紧密合作。具体来说,Marvel Fusion计划用硼-11B激发这些强大的激光器。


使用质子和硼-11B产生聚变不需要氚和不产生中子,燃料便宜且丰富。产生的阿尔法粒子足以直接通过磁感应发电,这将消除对使用蒸汽和涡轮机的需求。但是热硼-11B反应所需的温度超过30亿开尔文,大约是NIF和世界各地托卡马克装置产生D-T反应的10倍。此外,硼-11B聚变产生的能量仅为D-T反应生成能量的一半,批评人士称这将使创造可行的聚变功率变得更加困难。对于Marvel Fusion而言,Korn表示硼-11B是一种优于D-T的燃料,公司希望实现依赖专有纳米结构目标的非热点火过程。


Bedros Afeyan是一家从事激光-等离子体相互作用研究公司的总裁,他表示像Marvel Fusion将希望放在硼-11B上的努力注定要失败。除了离子温度超过100开尔文外,硼-11B没有放热反应,我们甚至不知道如何使几开尔文的等离子体燃烧。


Betti指出,除了极端温度要求外,硼-11B聚变反应发生的概率比D-T聚变反应小得多。D-T聚变已经非常困难,而硼-11B在制造有用能量的要求方面要困难得多。目前在拍瓦级激光器上进行相关实验的机构包括大阪激光工程研究所,期间产生了大量的硼-11B聚变和阿尔法粒子,但远远低于点火和有用能量产生所需的数量。事实上,Korn本人和其他研究者公布了2020年大阪实验室的研究结果,基于 硼-11B反应的聚变反应堆显然并不适用于未来。


Marvel Fusion选择硼-11B核聚变路线的部分原因是避免对氚的需求和中子的产生,同时还可以满足德国的反核情绪,这个国家正在逐步淘汰核电。迄今为止,公司已经从Blue Yard Capital和未具名的天使投资者那里筹集了3000万欧元(约合3550万美元)。但公司在选择硼-11B后却失去了主要的资金支持者SKion,即德国亿万富翁Susanne Klatten的投资公司。


另一个寄希望于硼-11B的是HB11,这是一家由新南威尔士大学核聚变物理学家Heinrich Hora 创建的澳大利亚公司。这家位于悉尼的初创公司计划使用短脉冲拍瓦级激光器,但其确切的技术方法仍在制定中。


澳大利亚没有拍瓦级激光器,HB11也不打算自己建造。这家公司的研究计划主要由其他大陆设施的受资助研究人员进行。HB11最大的资金支持者是德国科技企业家Lukasz Gadowski。目前,公司已经筹集到480万澳元(约合350万美元)。


坚持D-T路线


Focused Energy是另一个可能实现惯性聚变能商业化的玩家,与Marvel Fusion有着相似的成立背景。但是当Marvel Fusion决定采用硼-11B时,两家公司前进的道路出现了分歧。曾担任Marvel Fusion首席科学官的Markus Roth于2020年离职,并创立了Focused Energy。


Focused Energy计划的双激光器方案是先用一台纳秒长脉冲激光器压缩D-T燃料,然后用第二台拍瓦级激光器发出的皮秒长脉冲点燃压缩后的燃料斑点,该脉冲将击中薄球形箔(微米大小)。来自箔背面的加速质子会将能量集中到燃料上。


与NIF采用的方式相比,双脉冲方法将使燃料舱的缺陷问题更小。Roth说,所需的总激光能量计划为500kJ-750kJ,约为NIF能量输出的四分之一。Focused Energy首席执行官Thomas Forner表示,公司已从美国投资者获得了资金支持,包括科技企业家Marc Lore和退休的纽约洋基队球员Alex Rodriguez,他们是一家风险投资基金的合伙人。


总部位于美国加州圣迭戈的Innoven Energy的氟化氪(KrF)气体激光技术,是为战略防御计划而开发的,旨在使敌方卫星失去能力。尽管这种技术从未部署过,但在美国能源部国家核安全管理局的资助下,洛斯阿拉莫斯国家实验室和海军研究实验室的科学家一直在探索该技术的聚变潜力。KrF激光器的发明者Robert Hunter Jr是Innoven Energy的首席执行官。


该公司联合创始人兼首席技术官Conner Galloway表示,公司目标是将微秒长的KrF脉冲缩短到纳秒。在计划中的双激光器间接-直接驱动方法中,来自相对激光器的光束将被引导到D-T燃料腔室。


Afeyan表示,Innoven Energy的KrF激光器需要大口径光学器件,这在商业上不太可行。Betti 也同意研发兆焦耳级别KrF激光器建非常困难,但他也说KrF激光器发出的光本质上比NIF采用的固态激光器具有更好的内爆特性。他认为应该更仔细地研究KrF激光器。


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