我們都知道可控?zé)岷司圩円云浞€(wěn)定性、清潔性、安全性和資源的豐富性，被廣泛認(rèn)為是人類的終極能源解決方案。既然提到了激光聚變大家可能印象最深的就是美國國家點(diǎn)火裝置NIF在2022年底成功實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火，這也引發(fā)了全球?qū)圩兡茉吹臉O大興趣。盡管NIF取得了最高靶增益約2.4的成就，但由于激光能量、腔體設(shè)計(jì)以及早期激光技術(shù)的限制，它還未能實(shí)現(xiàn)聚變能源所需的30至100的高靶增益，且每天的實(shí)驗(yàn)次數(shù)也僅限于3至4次。

美國國家點(diǎn)火裝置NIF

為了克服這些限制，中國工程物理研究院上海激光等離子體研究所與北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所的科研團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種新一代高增益聚變裝置的概念設(shè)計(jì)。這款10MJ激光裝置旨在實(shí)現(xiàn)30至100的靶增益。如上文中描述的它具備高效、節(jié)能、緊湊和成本效益高的特點(diǎn)，能夠每30分鐘進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，并且能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，在同一次實(shí)驗(yàn)中提供二倍頻、三倍頻、四倍頻等多種激光頻率的混合打靶能力，以適應(yīng)不同的激光聚變方法。其設(shè)計(jì)成本與美國的NIF相當(dāng)，可以說這個(gè)概念為聚變能源的路線選擇和可行性研究提供了新的工具。

在10MJ激光裝置的概念設(shè)計(jì)中，采用了以下創(chuàng)新技術(shù)：

1. 多前端及超彈簧光技術(shù)，以降低激光與等離子體之間的不穩(wěn)定性。

2. 近場空間分離放大預(yù)脈沖和主脈沖，以提升能量轉(zhuǎn)換效率。

3. 使用具有低發(fā)射截面、長熒光壽命和高儲能密度的激光材料，實(shí)現(xiàn)高激光能量通量的放大。

4. 環(huán)形截面水冷氙燈和熒光轉(zhuǎn)換隔膜材料的應(yīng)用，提高泵浦光到激光能量的轉(zhuǎn)換效率和打靶頻率。

5. 基于角度敏感薄膜的近場多程劈板放大器，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高能量抽取效率。

6. 結(jié)合近場三程放大的雙程放大構(gòu)型，顯著減少放大器占用空間，實(shí)現(xiàn)裝置的緊湊化。

7. 基于角譜敏感非線性晶體的空間濾波技術(shù)，進(jìn)一步壓縮濾波器空間，提高裝置緊湊性。

8. 非共線頻率變換的波束合成系統(tǒng)，提高在較小F數(shù)和相同光學(xué)元件負(fù)載下的輸出激光能量。

9. 現(xiàn)代化的測控技術(shù)，提高測量和控制的精確度。

10. 以靶室為中心的半地下整體布局，節(jié)省空間、降低成本并提高環(huán)境友好性；同時(shí)采用六孔球腔球?qū)ΨQ輻射驅(qū)動源路線下的理想激光排布方案，獲取所需的球?qū)ΨQ輻射源，滿足多種激光聚變方式的需求。

中國工程物理研究院上海激光等離子體研究所的隋展研究員提出了上述的先進(jìn)激光技術(shù)。與此同時(shí)，北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所的藍(lán)可研究員則專注于確保這些技術(shù)能夠滿足物理需求。兩位研究員攜手撰寫了這篇關(guān)于10MJ激光裝置概念設(shè)計(jì)的論文。

這篇論文的發(fā)表，不僅展示了中國在激光聚變技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新和突破，也體現(xiàn)了科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)高效、低成本聚變能源研究方面的努力和成果。通過這些新技術(shù)的應(yīng)用，10MJ激光裝置有望在聚變能源研究中發(fā)揮重要作用，為未來的能源發(fā)展提供新的可能性。