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美国惯性聚变研究新计划

2023-12-25 11:22     来源:嘿嘿能源heypower     核聚变
美国能源部(Department of Energy,DOE)近期宣布成立了三个新的惯性聚变能源(inertial fusion energy,IFE)中心,并将在四年内为它们提供总计4200万美元的资金。12月7日,通过选拔性评审确定的三个中心负责机构——科罗拉多州立大学(Colorado State University,CSU)、劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)和罗切斯特大学(University of Rochester,UR)——都在这一天发布了新闻稿,宣传他们的实验设施、合作伙伴以及研究路线。

这一新计划名为惯性聚变能源科学与技术加速研究(Inertial Fusion Energy Science and Technology Accelerated Research,IFE-STAR),其资助的项目将整合国家实验室、学术界和工业界的专业知识与能力,以推进IFE系统向前发展。对于这些中心,我们可以抱有什么样的期待?

DOE的愿景

美国能源部表示,多机构、跨学科的中心将“在已有的突破性工作基础”上继续推进基础科学与技术进步。这里所谓的“突破性工作基础”指的是去年LLNL在国家点火装置(National Ignition Facility,NIF)上成功实现的聚变点火。2023年5月,DOE在LLNL的点火成功庆典上宣布了IFE-STAR计划。自从NIF的重大进展以来,私人投资者和公共资金对聚变能源研发的兴趣已经越来越大,IFE-STAR计划有助于将相关研究聚焦在实现惯性聚变净产出的关键科学技术难题上。

迄今为止,美国的惯性约束聚变计划一直得到国家核安全管理局(National Nuclear Security Administration,NNSA)的支持。隶属于DOE聚变能源科学办公室(Fusion Energy Sciences,FES)的IFE-STAR计划,拟解决2022年聚变能源科学基础研究需求研讨会上总结的研究领域,此外还有加入DOE阶段式聚变发展计划的公司在预期技术路线上共同面临的障碍(在五月选定的八家私人公司中,有两家采用激光惯性约束路线)。

根据DOE的说法,IFE-STAR计划将在高增益靶设计、高效率高频率激光、以及IFE相关的聚变靶制造、跟踪和应用等领域发力,还有一个重要部分是对惯性聚变工作体系的管理,包括建立一个包容、多样化的从业群体。

CSU惯性聚变科学技术中心

科罗拉多州立大学的惯性聚变科学技术中心被称为RISE。据CSU称,有康奈尔大学、通用原子能、洛斯阿拉莫斯国家实验室、Marvel Fusion、SLAC国家加速器实验室、德州农工大学、美国海军研究实验室、伊利诺伊大学香槟分校和Xcimer Energy Corp等机构参与,该中心还将由斯坦福大学的DOE下属SLAC国家加速器实验室共同领导。

CSU表示,RISE将在未来四年内获得1600万美元的资金,用于“创造性地将聚变靶与准分子气体激光、固态激光驱动器等技术相结合,开辟新的IFE领域。”科罗拉多州立大学开展的实验将借助其已有的ALEPH激光器,这是一种高频率、PW级(1 PW=1E15 W)激光系统,后续还会升级至2 PW。

电气与计算机工程杰出教授Carmen Menoni将担任这个新中心的主任,“我们希望这里能成为IFE科学技术的高地,吸引并培养相关人才,以支持DOE在本领域的使命,” Menoni表示。“我们很高兴与一支致力于惯性聚变商业化的世界一流团队合作。”

LLNL创新&反应堆工程中心

LLNL的中心被称为STARFIRE,也获得了为期四年的1600万美元资金。与其他中心相比,LLNL的合作伙伴最多,包括七所大学,四个国家实验室,一个国际实验室,三个商业实体,一家慈善组织和三家私人IFE公司:其中有通用原子能公司,加利福尼亚大学圣迭戈分校,加利福尼亚大学伯克利分校,加利福尼亚大学洛杉矶分校,罗切斯特大学,麻省理工学院,俄克拉荷马大学,德国弗劳恩霍夫激光技术研究所,TRUMPF公司,美国Leonardo电子公司,利弗莫尔实验室基金会,斯坦福大学SLAC国家加速器实验室,橡树岭国家实验室,萨凡纳河国家实验室,Xcimer Energy,Focused Energy公司和Longview Fusion Energy Systems。

“LLNL取得的点火成就为IFE提供了新的动力和科学基础,”LLNL IFE机构负责人、IFE中心首席研究员Tammy Ma表示。“DOE的IFE-STAR计划标志着美国公共IFE计划的复兴,我们很高兴能汇集一支优秀的团队,通过协同管理一起推进聚变能源发展。”

在IFE工业级模型框架指导下,IFE-STARFIRE中心将着力于高增益聚变靶设计、靶制造和应用以及二极管泵浦固体激光技术的示范。该项目还将与领先大学合作,开发推出新型课程,为IFE的未来培养人才。

UR激光-等离子体相互作用研究中心

罗切斯特大学的激光能量学实验室(Laboratory for Laser Energetics, LLE)获得了为期四年总计1000万美元的资助,将牵头一个关于激光-等离子相互作用研究的中心,参与方包括Ergodic LLC、加利福尼亚大学洛杉矶分校、内布拉斯加大学林肯分校和Xcimer Energy。

该中心被命名为IFE-COLoR(Inertial Fusion Energy-Consortium on LPI (laser-plasma interaction) Research),旨在测试一种新型宽频长脉冲激光,以直接对氢燃料进行点火,验证直驱式的IFE系统。

因为聚变条件下激光-等离子不稳定性的存在,目前惯性约束系统的一个难点便是有效地将激光驱动器的能量打到聚变靶材上。根据罗切斯特大学的新闻稿,宽频长脉冲的激光可能有助于抑制激光-等离子不稳定性。为了实现这种新方法的示范,IFE-COLoR中心拟将LLE开发的激光技术与第四代超宽频实验激光(FLUX)结合,通过经实验测试的流体动力学模拟来指导更先进的激光-等离子不稳定性建模与实验。

“从最初的实验开始,科学家们就想使用多色激光(即频谱范围更广的激光)来解决不稳定性” ,IFE-COLoR首席研究员、LLE等离子与超快激光科学与工程部门主任Dustin Froula说,“我们花了五十多年的时间钻研激光等离子相关理论和技术,有了它们才能确保实验推进,以验证支撑未来的直接驱动式惯性约束聚变系统” 。成立于1970年的LLE是DOE下属最大的大学研究项目。根据最近与NNSA续签的合作协议,该实验室运营着世界范围内学术机构拥有的最大激光设施——Omega激光设施。



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