使用激光聚焦实现受控核聚变

       自从20世纪50年代起，物理学家在开始认真研究核聚变以来，这个难以捉摸的目标一直代表着世界能源未来希望。原子融合，而非现有裂变堆应用的裂变反应，预示着相对无限、安全、环保的能源。霍金曾经说过："我希望核聚变成为一种实用的能源。它将提供取之不尽的能量供应，没有污染或全球变暖"。

       但关于核聚变在未来的30年里实现的说辞：已经有60多年了。

有几十个甚至更多的方案正在进行，有的由国家资助，有的由私人支持。其中许多项目--其中包括在美国政府的国家点火设施（NIF）的一个项目，使用192个激光器来完成这一壮举--已经成功融合了不同形式的氢元素。但基本性问题仍然存在：他们在这个过程中投入的能量都比产生的能量多。没有一个人实现了收支平衡，在这个行业中被称为收益一。考虑到这个大问题，专家们认为输出的能量必须不是 "1"，而是100到200倍于输入的能量，核聚变才具有经济上的可行性。因此，核聚变反应堆被并入电网为你的家庭或办公室供电的日子可能仍很遥远。

        目前，下一个里程碑将是 "一"。

        去年8月NIF在这方面取得了巨大的进步，它从其巨大的192个激光器中激发出的能量比它--或者按照NIF所说的，比任何人--以前都多。其1.35兆焦耳的输出约为其注入的1.9兆焦耳的71%。虽然71%--0.71--离1仍有一段距离，但比起NIF之前最好的9%，这是一个巨大的进步。

光学技术的改进

        在一月份的SPIE Photonics West会议上，来自NIF的Tammy Ma发表了演讲，描述了光学方面的改进帮助设备实现了71%的惊人飞跃。她还概述了新出现的光学突破，这些突破应该能帮助她和她的物理学家同伴们达到 "1 "和更高的水平。

NIF物理学家Tammy Ma博士。资料来源：NIF/劳伦斯-利弗莫尔国家实验室

        首先，快速介绍一下NIF的仪器是如何工作的，这个巨大的设施有10层楼高，占地面积相当于三个足球场。像许多核聚变项目一样，NIF正在结合被称为氘和氚的氢同位素。将这两种物质合成为一个实体，产生氦、中子，以及--关键是--释放热。在大多数核聚变项目中，热量是驱动涡轮机或为其他目标（如工业流程）提供热量的能量。(另一种核聚变的方法，称为非核聚变，实际上是直接提供电力，切断了涡轮机）。从历史上看，尽管在过去几十年里出现了其他方法，有两种方法用于配制氘和氚比较常见。

        NIF使用这两种方法中较新的一种，称为 "惯性约束"。它将两种同位素放在一个微小的BB尺寸的颗粒中，密度是铅的100倍。NIF向这个目标发射192道激光，每道激光在一英里内来回穿梭，穿过光学玻璃板，在前往目标的光路上将激光的功率提高了四千亿倍以上。高功率激光和密闭空间的结合引发了高达170摄氏度的温度，促使同位素融合。聚变发生的时间可能不到十亿分之一秒。

        惯性约束与核聚变机器的最初想法不同，后者被称为托卡马克。世界各地可能有几十个实验性托卡马克。该技术今天仍在发展中，其代表性装置是建造在法国Cadarache的100英尺高、830立方米的托卡马克，它得到欧盟和中国、俄罗斯、日本、韩国和美国六个成员国的支持；包括非成员国在内总共有35个国家参与。在托卡马克设计中，稀疏的氘氚等离子体在一个相对较大且受磁约束的空间内运动，并极度加热，直到核聚变发生

 这个圆柱体被称为 "hohlraum"，含有BB大小（约5毫米）的燃料胶囊。资料来源：NIF/劳伦斯-利弗莫尔国家实验室

        那么，NIF是如何在8月份达到其有史以来最好的135万焦耳的能量输出的呢？

        Tammy Ma博士指出，虽然改进的光学系统发挥了作用，但大部分的提升来自于目标颗粒设计的重大改进，它的材料更光滑，比以前任何一次NIF射击的密度更大。

        在光学方面，NIF改进了它的主振荡器室--一个相对较低功率的激光器，变成了192个独立的、功率特别大的激光器，还设法在192个激光器之间实现了特别好的功率平衡和功率精度--有时，激光器的性能可能会偏离工程师为每一个激光器规定的范围，但在这个场合，正如Ma指出的那样，它们表现得很好。

激光放大

        对厚玻璃板进行持续的整修对放大激光器功率当然有帮助。NIF每4至8小时发射一次激光，不仅用于聚变能源实验，还用于其他目的，如核武器研究和行星、恒星和宇宙研究。这块40厘米×40厘米的玻璃，有几英寸厚，可以承受很大的冲击。在放大过程中，首先玻璃被激发，然后玻璃将这种能量传递给穿过它的激光。在使用过程中产生的损伤会积累，并在随后的shot中影响激光的准确性。

        "马说："我们在这些的光学元件实际能处理的毛边上运行激光，因此NIF经常把玻璃板拉出来，以检查和抛光它们

        当激光器接近目标时，它们在这一点上会聚。资料来源：NIF/劳伦斯-利弗莫尔国家实验室

        放大器是激光器所经过的大约7500个大孔径光学器件中的一个。这个地方充斥着各种光学器件；维护至关。但是，维护所需时间以及玻璃的局限性，都是缩减shot次数、削弱其功率水平和效率的因素。

        这就是NIF可见的改进。能够处理更高的功率并能更有效地提高激光功率的玻璃放大器，最终应更好地利用 "能量输入"，进而获得更高的能量输出比率。

改进光学器件

        作为NIF高强度激光科学项目的负责人，Ma已经确定了几种可以改善光学系统的方案。

一种方法是缩短玻璃在发射后的冷却时间。现在冷却时间过长限制是发射间隔不能超过每四到八小时的主要原因之一。同时因为NIF正在转向研究可以10赫兹（每秒10次）发射激光的可能性，这将需要更容易冷却的玻璃。马希望在于将光学器件切成条状，并在条状之间运行冷却气体。

        这是一个想法。

        另一个想法是升级用于光学玻璃的材料，使其能更有效地收集激光的光子并为其提供能量。Ma希望新的 "增益介质"，如掺铥的氟化钇可能有所帮助。

       同样地，用于激发玻璃的激光器也在不断改进中。现有玻璃由白色激光的照射泵浦。这是过程非常低效，因为玻璃只吸收了白光中的某些波段。正如云所指出的，"除了对你有用的那一种，你正在浪费彩虹中的其他所有颜色。”

       闪光灯是一个双重浪费，因为它还会放出多余的热量，需要消耗冷却系统的更多能量。

       解决办法是什么？使用只发射有用颜色的彩色激光二极管作为泵浦源，并可以在较低的温度下运行。

光学器件的维护和再利用对NIF的精确操作至关重要。来自：NIF/劳伦斯-利弗莫尔国家实验室。

        各个机构正在多个领域开展工作作。有很多的承诺和潜力，也有一些担忧。例如，聚变中的光学玻璃所需要的那种规模的彩色激光二极管泵比当前使用的闪光灯要昂贵得多。

        事实上，所有这些改进都要付出一定的金钱代价。在不久的将来，NIF不打算使用它们中的任何一个。

        "我们不是在拆东西，"马说。相反，它将集中精力改善维护工作，并对现有的光学元件进行加固。仅仅这一点就应该可以帮助NIF实现2.6兆焦耳的输入功率，并在几年内达到1的增益，根据Ma的估计。

        但马说，新的东西将需要等待。事实上，马希望它不会进入现有的NIF，因为现在的NIF在经过十年左右的建设和延迟并花费了接近40亿美元的成本后，于2009年开放。她说，相反，现在是建立新的NIF的时候了。