核聚变研究驶入快车道

能源缺口:世界需要越来越多的能源。

能源缺口
能源缺口:现有的可再生能源无法实现能源目标

世界能源理事会(WEC)预计,相较2015年,到2060年全球电力需求将增涨近150%,而可再生能源最多只能分担40%至60%,剩下的40%至60%可能仍然需要使用化石燃料,这个能源缺口必须填补:核聚变能或许成为理想选择

人们曾经幻想,如何将其他恒星上的能源带到地球上呢?如今,这个梦想再次点燃。激光核聚变的发展前景看上去一片光明。贺利氏科纳米为其提供 用于高功率激光器的合成石英玻璃

大约在100年前,人类第一次对可控核聚变进行了科学思考,而相关实验设备则从20世纪80年代才开始运行。迄今为止,研究进展非常缓慢,因为这个问题很复杂。要实现可控核聚变,不亚于将类似太阳产生能量的过程复制到地球上。如果成功的话,人类将拥有大量的能源,并且不会对环境造成影响,也不会产生温室气体或放射性废料。

核聚变的原理

核聚变的原理如图所示

核聚变反应堆利用核聚变反应产生的热量来发电。在核聚变过程中,两个质量较小的原子核聚合变成一个更重的原子核,并释放巨大的能量。核聚变产生高能中子,以及对人类和环境均无害的惰性气体——氦。

核聚变所用原材料是氢的同位素——氘和氚。这两种元素从水里就能获得,如海水或废水。核聚变过程中的高能中子产生的水蒸汽可以驱动涡轮机,涡轮机再驱动发电机发电。

激光核聚变的原理

如何在地球上触发可控核聚变反应,对科学家和专家们来说是一个巨大的挑战。这是因为必须克服原子核的强电排斥力,才能成功实现可控核聚变。目前,研究人员正在探索两种产生核聚变能的方法:利用强大的激光或磁场来实现核聚变,

而激光核聚变在近期取得了重大进展。2021年8月,在美国加州,由劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)建造的 国家点火装置(NIF) ,成功地利用激光核聚变触发了核聚变反应,释放出1.3兆焦耳的能量。

Credit: Lawrence Livermore National Laboratory

前置放大器支撑结构——一名技术人员正在调整支撑结构内部的一个光学元件(来源: https://lasers.llnl.gov/ )。

Credit: Lawrence Livermore National Laboratory

NIF靶室——一种维修系统升降机,让技术人员可以进入靶室内部进行检查和维护(来源: https://lasers.llnl.gov/

Credit: Lawrence Livermore National Laboratory

回收最终光学元件——NIF的研究人员开发出了一种方法,利用激光烧蚀受损部位来减轻光学元件的激光损坏。光学元件缓解设施使用四个缓解系统,能够对批量生产的全尺寸(430毫米)光学元件进行缓解处理。截至2014年底,约有4000个最终光学元件被回收并重复利用(来源: https://lasers.llnl.gov/ )。

Credit: Lawrence Livermore National Laboratory

NIF激光间——俯瞰NIF,它有两个相同的激光间,每一个激光间两侧各有一簇包含48条激光线的激光束,射向激光间的中心位置(来源: https://lasers.llnl.gov/ )。

NIF拥有巨大的激光器,几乎有三个足球场那么大,而激光脉冲最终必须击中反应堆中的一个微型镀金空腔内部。空腔内有一个两毫米长的塑料胶囊,装有氢同位素的原子核。激光的紫外线辐射波长为352纳米,会精确对准镀金空腔发射,产生伽马射线,压缩胶囊,从而引发核聚变反应

贺利氏的贡献:用于高功率激光器的高纯度合成石英玻璃

高能激光器为聚变反应供能
用合成石英玻璃制成的光学元件可提高激光性能
用合成石英玻璃制成的光学元件可提高激光性能

对于激光核聚变而言,192道激光束中的高精度光学元件至关重要。这种材料因纯度高而具有出色的光学性能。此外, 合成石英玻璃 具有所需的高透过率并且对紫外线的吸收值较低。

“通过为这种激光系统提供合成石英玻璃原材料,我们正在为清洁能源的全新可持续生产方式做出重大贡献,并弥补因可再生能源供应不足所导致的能源缺口。”贺利氏科纳米科研部门的全球销售经理Frank Nürnberg博士解释道。

贺利氏为欧洲、美国(包括NIF)和中国的研究设施提供用于激光光学元件的合成石英玻璃。目前,该领域已获得诸多可喜成果,也催生了越来越多的初创企业,以实现核聚变的商业化。在德国,贺利氏正与位于达姆施塔特的Focused Energy气候科技初创企业等有关各方接触,以便在未来几年里共同设计原型,并且最晚在2040年建成并运行第一个基于激光的商业核聚变发电站。在那之前,聚变反应堆仍需进行大量的微调。Frank Nürnberg指出,转化效率尤为重要:“目前为止,只有10%到20%的激光能量到达核燃料胶囊。这个比例需要实现最大化。”未来20年的核聚变研究会很有趣。