氫核聚變是在地球上創造富有成效的永續能源的一個很有希望的選擇。但利用它的難度在哪裡？啟動核融合過程需要極高的壓力和溫度。從技術上講，這可以透過”雷射聚變”或”慣性約束聚變”來實現。透過起草”X 射線雷射優化雷射聚變”（Röntgenlaser-Optimierung der Laserfusion，ROLF）項目，德累斯頓羅森多夫亥姆霍茲中心（HZDR）高級系統理解中心（CASUS）的托比亞斯-多恩海姆（Tobias Dornheim）博士現在打算改進對氫壓縮的理論理解。

HIBEF 提供了對材料結構和極快自然過程的洞察力，例如發生在溫熱緻密物質樣本中的過程。圖片來源：HZDR / 科學傳播實驗室

未來，雷射核融合實驗將不再採用”反覆試驗”的方法，而是以更有針對性的方式進行設計和實施，這也是商業核融合發電站的必要前提。除了歐盟透過”公正過渡基金”（Just Transition Fund）提供資助外，薩克森自由州也直接為該計畫提供了資助。

核融合過程所需的超高壓和超高溫是透過壓縮一個最初非常冷的充滿氫同位素氘和氚的膠囊來實現的。在聚變反應過程中，氫會在一定時間內進入一種特殊狀態–溫緻密物質（WDM）。就壓力和溫度而言，這種狀態大致介於凝聚態物質和熱等離子體之間，是多恩海姆的專業領域。 2022 年底，這位年輕的研究員透過競爭程序獲得了歐洲研究理事會價值近150 萬歐元的”啟動資助”。目前，該計畫的工作正在進行中：多恩海姆和他的團隊正在開發機器學習方法，以便對波分複用進行可靠的理論描述。結構轉型專案目前正在專注於一個更實際的挑戰。

“雷射核融合的一個主要問題是實現雷射爆炸的穩定壓縮，”CASUS”計算量子多體理論前沿”青年研究小組組長、ROLF 項目負責人多恩海姆解釋。 “燃料囊的內爆必須盡可能均勻，即沒有任何不穩定因素，以確保盡可能多的燃料被熔化，並釋放出相應數量的可用能量。要做到這一點，我們必須先加深對波分復用器行為方式的理解。”

大型研究設施，如歐洲XFEL 的亥姆霍茲國際極端場光束線（HIBEF）和美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置（NIF ），對諸如行星和恆星內核中的溫緻密物質進行了實驗研究。在這些設施中，利用強大的雷射閃光可以在幾分之一秒內產生波分複用器。多恩海姆的團隊正在與這兩個機構合作。分析雷射聚變的一個重要實驗方法是X 射線湯姆遜散射（XRTS），而這正是新的ROLF 計畫的作用所在。

讓每個人都能獲得X 光診斷

在利用X 射線散射進行診斷時，X 射線源會​​對準樣品。測量在樣品中偏轉的光子的能量變化，並以此得出有關材料特性的結論。到目前為止，對測量數據的評估主要基於一系列不可控的近似值。然而，一年前，CASUS 團隊證明，無需使用任何模擬或模型及其所有近似值和假設，就可以進行精確的數據評估。

多恩海姆和他的團隊採用了一種基本的數學方法，即拉普拉斯變換。在ROLF 中，研究人員計劃創建一個開源軟體包，使所有雷射熔融專家都能使用這種評估方法。此外，他們還打算進一步開發該方法，以便於在使用XRTS 測量進行無模型、高精度溫度測定之外的應用。將來，還可以確定其他相關變量，如波分複用器的密度或電離程度。

然後，格爾利茨的團隊打算使用新設計的軟體來分析現有的XRTS 數據，例如來自歐洲XFEL 的數據，以開發和實驗測試新的X 射線散射測量方法。一旦XRTS 診斷有了堅實的基礎，從X 射線散射中得出的結論將被納入雷射聚變模擬中。多恩海姆簡要地展望道：”我們認為，從這些模擬中得出的參數將能夠大大改善艙體的壓縮，並迎來全新一代的聚變實驗。”

HZDR 可為雷射聚變做出貢獻

最近，聯邦教育與研究部（BMBF）提出了一項新的聚變研究資助計畫。其目的是在實現核融合發電廠經濟運作的國際挑戰中發揮決定性作用。BMBF最近發表的一份立場文件強調了”精細診斷以驗證代碼和模型”的必要性。 HZDR 的科學主任Sebastian M. Schmidt 教授對CASUS 項目獲得資助感到非常高興：”有了HIBEF、CASUS 以及我們的高功率激光器DRACO 和PENELOPE，HZDR 在激光核聚變研究中處於非常有利的地位，可以為激光核融合研究做出重大貢獻。我們可以破解為應用鋪平道路的基本過程。”

公正過渡基金（JTF）是歐盟的資助工具，主要惠及依賴硬煤和褐煤的地區。盧薩特褐煤礦區的薩克森部分共可獲得3.75 億歐元。儘管大部分資金用於支持受結構變革影響最嚴重地區的經濟，但學術機構也可以申請研發計畫資金。因此，CASUS 透過”2021-2027 年研究InfraProNet”資助指令，為ROLF 計畫獲得了超過70 萬歐元的100% 資助。

編譯自: ScitechDaily