核聚变与太阳能的反应过程相同，具有安全、清洁、廉价和可靠的潜力，长期以来被视为理想的能源选择。20世纪60年代初以来，科学家们一直致力于探索如何利用高功率激光来压缩热核材料，以实现点火反应。这里的点火是指在足够长的时间和足够高的温度下，最终输出的聚变能量超过激光的输入能量。2022年12月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室利用国家点火装置成功实现了点火，证实了惯性聚变能源的科学基础。然而，在聚变能源技术的商业化大规模生产和应用方面，其仍存在着许多挑战和障碍。
近日，罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE）的研究人员通过激光实验证明了一种惯性约束聚变（ICF）的点火方法。该方法称为动态成壳技术，可能有助于实现创建聚变发电厂的目标。LLE的科学家Igor Igumenshchev与Valeri Goncharov等将相关研究成果Proof-of-Principle Experiment on the Dynamic Shell Formation for Inertial Confinement Fusion发表在Physical Review Letters上，该研究得到了美国能源部国家核安全管理局的支持。
Igor Igumenshchev表示，这项实验证明了一种创建新型靶概念的可行性，使用动态成壳的方法能够以经济实惠的方式实现惯性聚变能的大规模生产。
惯性约束聚变的传统靶丸
在惯性约束聚变的传统方法中，由少量氢燃料（以氢同位素氘和氚的形式）组成燃料核心的靶丸被冷冻形成一个球形外壳。球壳通常由化学稳定性高、强度和透明度良好的材料制成，以承受激光或离子束的作用并使能量均匀地压缩燃料核心。当高能量激光或离子束聚焦在球壳表面时，球壳会吸收能量，逐渐收缩并形成高温高密度等离子体。当靶丸的内部燃料达到足够高的温度和压力时，壳体会坍塌并形成高密度的燃料核心，进而发生聚变反应。可以看到，传统靶丸一般都是将少量氘氚燃料冻结形成固体球壳，并在球壳上覆盖烧蚀材料。以美国的掺锗碳氢靶丸3.1版本为例，其具体结构如图1所示，靶丸外半径为1092 μm ，壁厚为165 μm ，掺锗层厚度为48 μm ，掺杂浓度从外到内依次为0.3%和0.6%，冰层厚度为75 μm 。
点燃传统靶丸发生聚变反应并释放出巨大的能量，有望推动无碳发电厂的发展。若想创建一个聚变发电厂，每天则需要近一百万个靶丸，所以目前还只能停留在设想阶段。其原因为使用冷冻制备工艺来制造靶丸的方法不仅成本高昂，并且靶丸的生产难度也较大。换言之，当前的挑战在于寻找一种成本较低且可投入实际生产的靶丸点火方法。
动态成壳——“物美价廉”
动态成壳是一种将氘和氚的液滴注入泡沫胶囊中来创建靶丸的方法。Valeri Goncharov在2020年的一篇论文中首次描述了动态壳的形成，但当时这一概念尚未得到实验证明。
动态成壳是基于中心热斑点火方法，通过在低密度的中心区域周围动态创建更高密度的燃料壳来实现。首先，向均质燃料施加几Mbar的冲击波，当冲击波从中心反射并到达球体外表面时（在烧蚀之前），激波从球体中爆发出来，导致被冲击波压缩的燃料开始向外膨胀。这种膨胀会一直持续，直到燃料的压力降低到烧蚀压力以下。然后，烧蚀前沿附近会形成冲击，减缓燃料膨胀，并形成一个壳体。此时，可以使用传统的中心热点或冲击点火的方法向内加速壳体。换言之，动态壳体的形成可以被视为传统的中心热斑方法或冲击点火方法的预处理阶段[2]。动态成壳不采用传统方法的昂贵的低温分层，而是使用更容易实现的液体靶。
近期，Igor Igumenshchev、Valeri Goncharov和同事们在一个按比例缩小的原理验证实验中，使用LLE的OMEGA激光将一个密度与氘-氚液体燃料相同的塑料泡沫球体塑造成了一个壳，图2展示了动态壳概念的关键过程。
图2 动态成壳概念的关键过程（透过激光能量学实验室的OMEGA激光器的20 mm圆盘放大器观看）
为了真正利用动态成壳技术产生核聚变，未来的研究将需要具有更长、更高能量脉冲的激光，以提供聚变所需的能量。尽管目前的实验还不完善，但已经表明动态成壳技术可能是实现更经济实惠的聚变能反应堆的可行途径。Igor Igumenshchev表示，将这一目标概念与LLE目前正在开发的高效激光系统相结合，将为聚变能提供一种非常有吸引力的解决方案。
原文链接：
https://www.rochester.edu/newscenter/dynamic-shell-formation-mass-production-fusion-energy-563262/
[2] Goncharov V N, Igumenshchev I V , Harding D R ,et al. Novel Hot-Spot Ignition Designs for Inertial Confinement Fusion with Liquid-Deuterium-Tritium Spheres[J].Physical Review Letters, 2020, 125(6).DOI:10.1103/PhysRevLett.125.065001.
编辑 | 李笑玲
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