欧洲高功率激光装置与聚变研究展望
引言
2022年底，美国利弗莫尔国家实验室宣布国家点火装置首次实现核聚变反应的净能量增益，这一激光聚变领域的里程碑事件使得激光驱动惯性约束核聚变再次成为人们关注的热点，这一事件也为欧洲核聚变基础研究设施的建设又打下一针强心剂。2019年，意大利罗马大学的S. Atzeni等人回顾了聚变能源的发展路线，分析了惯性约束聚变发展现状及其对社会和工业的影响，前瞻性地提出建立欧洲高功率激光能源研究设施的必要性。他们以“An evaluation of sustainability and societal impact of high-power laser and fusion technologies: a case for a new European research infrastructure”为题撰写了综述文章发表在High Power Laser Science and Engineering。
01
惯性约束核聚变重大进展
聚变能研究的范围广泛，促进了不同领域的科技进步，主要是利用磁聚变方法产生聚变。该方法在真空技术、机械和控制系统、低温学、数值模拟和先进材料等领域已经取得了重大进展，促进工业发展。全球磁聚变能计划相关机构公共资金的支持更推动了聚变能的发展，特别是ITER和相关的测试设施，如英国Oxfordshire的JET、意大利Frascati的DTT和日本Naka的JT-60SA。
与此同时，在过去20年间出现了一些由私人投资者资助的旨在开发替代磁聚变反应的概念和倡议。这些企业利用了人们日益意识到即将到来的化石燃料危机和相关环境问题，以及最近推动替代能源和可再生能源供应发展的制度指导方针，来吸引投资者开始关注那些具有科学原理的方法，尽管这些方法尚未被用于能源生产。
磁聚变能源研究已经发展了近80年，但发展了50年左右的激光驱动的惯性约束聚变研究在2021年8月就已经由美国利弗莫尔国家实验室完成了类似于点火条件的实验室演示验证。实验中核聚变产生的能量大大超过了吸收的能量，接近激光输入能量，这满足了实验反应堆发电的先决条件。与此同时，传统上研究激光聚变能量的科学基础，即高功率激光器、高能量密度物理学和激光等离子体相互作用物理学，在几个领域得到了发展和多样化，产生了全新的研究领域。
02
惯性约束聚变研究新装置发展迅
速，多领域机构实现合作共赢
高能激光系统（几十千焦至几兆焦）新装置可应用于惯性约束聚变（ICF）和惯性聚变能（IFE）研究，例如美国的Omega和NIF、法国的LMJ、英国的Vulcan和Orion，中国的SG-II和SG-III以及日本的Gekko XII。与此同时，啁啾脉冲放大技术的出现促进国家层面建造了许多新的中型和大型设施的超短脉冲、超高强度激光设施，并最终促成了欧洲极端设施（ELI）的建设。该设施捷克共和国、罗马尼亚和匈牙利三个不同地点，处于调试阶段。这些设施的建设需要在非常短的时间内快速发展以强场科学、粒子加速和二次辐射源为目标（见图 1）的科学和技术。其中，部分技术发展也能够应用到医疗和制造业等其他商业领域。
高能量密度、等离子体物理和高功率激光技术领域的科学家正在开展着密切合作，欧洲大型研究机构在这些领域都有相关研究计划，并且这些计划都是共享的。激光-等离子体总体上是一个大型研究领域，目前正在进一步扩大，并且还与同步加速器和X射线自由电子激光（FEL）领域部分合并，结合超短和高亮度X射线脉冲研究极端物质状态。
很明显，第三代和第四代光源以及高功率、高强度激光源是许多最新技术和工业发展的核心。然而，由于成本高、体积大，使用这些大型设施仍然受到很大限制，需要进一步的技术革新以缩小设备尺寸、降低成本。在这种情况下，传统高功率固态激光器使用成熟的闪光灯泵浦方法和相应发热问题限制了其平均功率和重复率。基于高效二极管泵浦的新方法正在快速发展，并为高平均功率和高重复率激光器铺平了道路。这种转变可能会使激光和基于激光的光源可供更广泛应用，从而增强中小型高科技企业的能力，使它们能够进行目前只能在大型设施中进行的相关研究。
高功率激光器向高平均功率和高重复率的转变也是激光聚变能研究的一个重要里程碑，有利于聚变反应点火的原理验证演示过渡到未来反应堆的连续能源生产。激光聚变能量的技术规范极具挑战性，需要在紫外(UV)波长下以纳秒脉冲为单位的兆焦耳能量，但该技术的核心在很大程度上与其他需要创新和突破性解决方案的工业应用相似。
几家激光器公司目前正在投入大量资源开发全新的高平均功率激光技术，提供包括固态二极管激光泵浦在内的新产品。这也将有助于提高对高功率二极管激光技术的需求，从而提高生产效率和成本效益。
如上所述，这些研究也与其他新兴技术密切相关，例如需要高平均功率源的医疗应用激光等离子体加速器和无损材料测试等。在此背景下，宽带、高功率激光技术正在迅速成为一种常见的使能块，不但有利于推进超强激光器的商业应用，在激光驱动聚变中也能够解决控制激光-等离子体相互作用的突出问题。例如，宽带高功率激光器对于实现高重复频率激光驱动带电粒子加速器或确保IFE中平稳均匀的能量传输至关重要。这种高功率宽带激光器需要重大创新，例如能够被商用二极管激光器泵浦，并具有先进机械和热性能的新型激光材料。
极端条件下材料的多学科科学取得了重大进展，使得IFE反应堆的关键部分-激光聚变靶室设计有了很大改进，包括更好地了解极端辐照条件下的材料、氚保留评估以及冷却和能量回收系统的热流体动力学等。
03
“冲击点火”有望在欧洲HiPER
设备中实现高效核聚变点火
随着所有这些技术的发展，激光聚变能源研究可以作为孵化器，推动相关领域的产业发展，如采用全新方法提出未来发电厂的创新紧凑型解决方案。NIF在激光聚变方面实现了1.3 MJ的聚变能量输出和1.9 MJ总激光能量输入，产生了230 kJ的内爆壳体动能，这一具有里程碑意义的进展使ICF在为数不多的能够点火和控制聚变的方法中脱颖而出。NIF点火方案的效率本质上受到“间接驱动方法”的限制，激光能量被低效地用于加热空腔并产生燃料压缩所需的 X 射线辐射。
“直接驱动”方法包括“冲击点火”，有望更有效地利用激光能量直接照射燃料靶丸并驱动其压缩。冲击点火的基础研究已经开展了十多年，揭示了与冲击驱动脉冲的强非线性相互作用相关问题。这个概念是HiPER项目（欧洲高功率激光能源研究设施）的核心，目前学术界正在考虑在LMJ或NIF进行原理验证演示。
事实上，欧洲激光聚变方向的研究学者众多，并正在积极寻求在新的专用设施（图2）、国家实验室以及欧洲聚变能联盟 EUROFUSION 资助的“推进直接驱动惯性聚变的冲击点火”的研究项目。欧洲聚变能源联盟以其高社会影响，强大的科学背景和对激光聚变能源研究工业发展的吸引力可能使该设施在基础研究中变得独一无二，并且很可能成为未来IFE的发射台。
编者后记
本文作者对激光聚变的发展有着前瞻性的思考和整体性的布局考量，很多预判在之后的两年内一一应验，例如前文提及的私人投资者资助项目，在去年的美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室召开的新闻发布会上，美国能源部部长多次在发言中鼓励私人公司和研究机构参与聚变研究，以全力推进聚变能源的商业化。其次，作者对直接驱动激光聚变也有着较为准确的把握。以下是原文链接。
科学编辑 | 宁志强
编辑 | 金梦菲菲
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