激光驱动的聚变促进清洁能源，第一部分

未来 30 年的世界能源需求需要大幅增加，现有的可再生技术无法满足。尽管我们还有时间，但研究和开发对于下一次能源革命的成功至关重要。随着可再生能源和储能技术的进一步发展，聚变能源是缩小差距的一种潜在解决方案。

两个原子的融合为我们的太阳和宇宙中的恒星提供能量。几十年来，工程师和科学家一直致力于在地球上实现可控聚变，以运行发电厂，使用磁铁和激光来创造必要的条件。

达姆施塔特工业大学正在支持美国/德国公司Focused Energy，该公司正在探索激光引导惯性聚变能 (IFE) 的想法，这是一种与磁约束不同的方法。应该指出的是，它目前与商业能源的产生没有任何关系。在这十年内，Focused Energy 希望建立一个示范工厂，以证明有足够的点火、燃烧和增益来发电。

集中能量

Markus Roth 和 Todd Ditmire 是聚变和激光方面的专家，他们是创始团队的重要成员。Roth 是该公司的首席科学官，也是 TU Darmstadt 的教授，因其在激光与物质相互作用和等离子体物理学方面的研究而闻名于世;首席技术官 Ditmire 是德克萨斯大学奥斯汀分校的教授，也是高功率激光工程的全球专家。在创立 National Energetics 之前，Ditmire 负责为布拉格的极光基础设施 (ELI) 项目建造世界上功率最高的激光器之一。

两人在 IFE 上合作了数十年，这是一种使用高功率激光束驱动聚变反应的独特方式。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施 (NIF) 在 IFE 方面取得了巨大突破，该设施宣布了通过激光驱动的聚变反应创造的能量新纪录。

科学家们使用来自加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的 NIF 的强大激光，在短短 100 万亿分之一秒内释放出 130 万焦耳的能量(超过 10 万亿瓦的功率)，接近点火点，这是点火点核聚变释放的能量开始超过引爆所需的能量。来自世界各地的许多公司已经获得了数百万美元的资金，用于在 NIF 宣布之前将激光聚变商业化的计划。

在用于 IFE 的聚焦能量方法中，来自类似于 NIF 的激光器发出的纳秒长脉冲用于压缩氘氚燃料。然后，来自第二个拍瓦激光器的皮秒光束会撞击 1 微米厚的薄球形箔片，点燃压缩燃料(很像汽油发动机中的火花塞)。弹道将能量集中在燃料上，质子将从箔的后侧加速。据该团队称，双脉冲策略将使燃料舱缺陷——与 NIF 相比是一个小问题——被忽视。所需的全部激光能量应相当于 NIF 产生的能量的约 25%。这种模式称为快速质子点火。

发明人认为，这些拍瓦激光器的高强度飞秒到皮秒脉冲将使它们能够比 NIF 更好地启动聚变过程，产生的能量是启动它们所需能量的许多倍。啁啾脉冲放大(Donna Strickland 和 Gérard Mourou 获得 2018 年诺贝尔物理学奖)使现代拍瓦级激光器成为可能。拍瓦激光器产生的峰值强度为 10 19 –10 21 W/cm 2皮秒脉冲。相比之下，NIF、Omega 和法国 LMJ 激光器等长脉冲激光器产生的功率约为 10 15 W/cm 2，但每个激光脉冲的能量要高得多。

Ditmire 解释了该项目是如何产生的：“这一切都始于我的大学时代，当时我使用拍瓦激光器。当我在劳伦斯利弗莫尔国家实验室时，我有机会与一位才华横溢的德国年轻科学家 Markus Roth 一起工作。因此，马库斯和我成为了终生的同事和朋友。现在，我们是 Focused Energy 的联合创始人。2008年，我在德克萨斯大学启动了一个建造拍瓦激光器的项目，完成了一系列关于质子加速的研究。激光器是单发钕玻璃激光器，现在使用 ELI 激光器可达到约 2 kJ，每三分钟发射一次，并对放大器进行液体冷却。”

聚变能源目标

聚变有两种方法：磁约束和惯性约束，每种方法都有不同的变化。Focused Energy 的方法是激光驱动的惯性约束。

“另一方面，利弗莫尔的方法是所谓的间接驱动，”Ditmire 说。“这是一种有趣的方法，利弗莫尔在融合方面肯定能够取得更大的收益。然而不幸的是，它效率低下，因为您必须首先将激光转换为 X 射线。所以你损失了大约 10 倍。”