2022年12月5日,美国国家点火装置(NIF)成功实现了核聚变点火(净能量增益Q>1),这一重大技术突破轰动了整个世界,掀起了核聚变研究和商业化热潮。
什么是激光核聚变?为什么它能引发如此广泛的关注和讨论?小编带大家深入了解一下激光核聚变,激光核聚变是以高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变(ICF),通过将极大能量的激光束短时间内汇聚到极小空间范围,使得核燃料达到点火条件引发聚变反应,实现能量增益,其点火状态是地球上目前可能达到的最高温高密度的物质状态。
由于几乎无限的燃料供应、环境友好、能量密度高、安全性高,核聚变被视为解决能源危机和气候变化问题的“终极能源”,一旦实现可控核聚变,人类将彻底挣脱能源束缚,以后就能用核聚变能源来代替现有的发电模式,号称“人造太阳”。
然而,可控核聚变历经半个多世纪发展,商业应用仍有相当距离,美国NIF的成功点火,证实了这一“终极能源”概念的可行性,迅速在全球范围内涌现了一批专注于核聚变研究和商业化的公司:
2024年,Longview宣布与Fluor达成重要协议,依据与美国国家点火装置(NIF)相同的能量增益核聚变方法,携手打造一座具有划时代意义的能源工厂,共同设计世界上第一座商用激光聚变发电站;
Blue Laser Fusion(美国),致力于开发一种创新的新型激光聚变技术,并计划在2025年完成首个原型,预计在2030年左右实现激光核聚变反应堆的商业化,即在日本或美国建立起一个10亿瓦的发电反应堆;
Marvel Fusion(德国):这家公司正在开发一种基于激光的核聚变技术,计划在2027年启动示范系统,并在未来十年内建造第一座商业聚变发电厂。Marvel Fusion的目标是成为首家实现激光核聚变商业化的公司;
. . . . . . .
面对海外的积极布局和商业动作,最近激光核聚变也成为国内关注热点。为此小编调研了国内的进展情况,发现国内在激光核聚变方面也早有布局,并且在基础设施建设、研究机构、项目进展以及国际合作等方面均取得了一定进展:
在四川绵阳建设大型激光点火聚变研究中心,预计将成为全球最大的同类设施,其实验舱规模比美国国家点火装置(NIF)大50%,旨在推动核聚变研究和清洁能源开发;
中国科学院上海光学精密机械研究所参与了多个激光聚变装置的研制和实验;
中国工程物理研究院激光聚变研究中心(绵阳)负责管理和运营绵阳的激光核聚变设施,致力于激光聚变技术的研究和应用;
中国工程物理研究院研发的神光系列激光装置,如神光Ⅲ,已成为高能量密度物理研究的重要实验平台;
. . . . . . .
那激光核聚变商业化的瓶颈在哪里呢?我们首先来看一下影响激光核聚变的关键因素。激光核聚变依赖快速脉冲反应,每一次都需要大量外部能量,美国国家点火装置(NIF)采用的是192束激光束,每束能量约为1.2 MJ,总能量达到约230 MJ,激光脉冲持续时间为几纳秒,峰值功率超过500 TW,光束质量非常高,M2值小于1.1。而商业发电又要求高功率、高效率、低成本,这就对激光器的功率、光束质量、稳定性、成本等都提出了很高要求。
面对上述要求,国内学术界和产业界达成共识,认为半导体激光器具有高功率、高亮度、高效率、低成本的特性,无疑是解决这一应用需求的最有效解决方案,那我们国内的半导体激光器厂商是否意识到这一市场机遇呢?
带着疑问,小编找到了半导体激光芯片龙头企业长光华芯。在长光华芯,小编了解到,长光华芯早已关注到这一热点并非常看好这一商业趋势。长光华芯已经参与到国内外激光核聚变相关项目,开展了一系列工作,开发了高效率、高脉冲功率工作的激光芯片,以及具有高功率、高封装密度、高可靠性、更优光束质量的阵列模块。长光华芯致力于高功率半导体激光芯片研发十余年,在芯片制程、模块封装方面有丰富经验,IDM模式使其能根据市场热点实时进行科研创新,优化产品性能,匹配市场需求。
目前,各国企业和研究机构正在致力于开发激光核聚变发电技术,但要真正实现核聚变电的商业化,仍需努力。好在中国已经制定了激光核聚变的战略规划,更多的科研机构和工作人员参与其中,产业界的投入,资本的关注,将会快速推进商业化进程,让我们共同期待,见证这场清洁能源的变革。