從點火突破到發電廠之路， 美德聯合攻堅下一代高能激光系統

在“下一代慣性約束聚變激光器國際合作”項目中，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室與德國弗勞恩霍夫激光技術研究所正全力整合雙方先進的激光仿真模型。兩家世界領先的研究機構正匯聚其激光設計與仿真領域的專業力量，共同推動激光點火慣性約束聚變從實驗階段邁向工業應用。

在美國國家點火裝置的建造過程中，現場專門建立了生產線用于制造激光玻璃板

雙方共同致力于開發能夠點燃聚變反應、并在7×24小時發電廠運行中實現最高效率的高能激光系統。這需要對激光性能進行極其精確的預測，因此強大的計算機仿真技術在激光架構研發中發揮著核心作用。

從實驗到發電廠：下一個重大難關

在美國國家點火裝置中，工程師們主要致力于解決等離子體物理問題，例如將氘氚聚變燃料加熱至超1億攝氏度、進行極限壓縮并觸發自持聚變反應所需的條件。當反應發生時，釋放的能量將超過外部激光注入燃料靶丸的能量。

多片式板條放大器，用于高功率激光系統的核心放大部件。其結構通常由多層平行的激光增益介質板（如玻璃或晶體板）堆疊而成，板間通過冷卻介質流動進行熱管理。這種設計能有效擴大增益體積、分散熱負載，是實現高平均功率激光輸出的關鍵技術路徑，尤其適用于未來聚變能源等需要重復頻率運行的高能激光系統

自2022年底取得突破以來，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室已多次驗證該物理原理的可行性，且能量輸出持續提升。然而，單次點火遠不能滿足未來發電廠的需求——電廠約需每秒完成15次點火。這要求采用高效率的二極管泵浦固體激光器，使其能夠實現每秒數十次的發射頻率。

當前，兩大激光技術巨頭——勞倫斯利弗莫爾國家實驗室與弗勞恩霍夫激光技術研究所——正整合雙方互補的專業優勢共同研發此類激光器：前者擁有數十年高能激光技術經驗，而位于亞琛的研究所則是二極管泵浦固體激光器研發與工業規模化應用領域的全球領導者。

未來硬件的虛擬壓力測試

在建造昂貴的原型機之前，必須通過仿真驗證激光設計方案。在“下一代慣性約束聚變激光器國際合作”項目中，合作雙方致力于實現高能激光器放大級的精細化仿真——以此為后續設計奠定基礎。

研究團隊聚焦于系統的核心部件——激光放大器。這些放大器將初始的微弱激光脈沖放大至聚變所需的能量級別，其光子可傳遞數百萬焦耳的能量。用于此目的的激光介質由多層激光玻璃或晶體板堆疊而成，面積可達40厘米×40厘米，厚度僅數毫米；運行時需通過透明冷卻介質進行冷卻。這些放大板承受著巨大的熱應力與光學應力。

弗勞恩霍夫激光技術研究所項目經理Johannes Weitenberg解釋道：“7×24小時連續運行會導致熱效應、折射效應和像差，這些都可能扭曲激光光束。在此過程中，即使是最微小的不可預測效應都至關重要，可能導致效率損失或直接造成光學元件損傷。我們需要精確理解每一片放大板內部發生的物理過程，從而實現對復雜板堆結構的精準仿真。”

獨立交叉驗證：雙重模型保障可靠性

在下一代慣性約束聚變激光器的國際合作研究項目中，合作雙方將精心比對各自歷時多年研發的仿真解決方案，以實現日益精細化、擬真化的仿真模擬。他們將在不交換實際代碼的前提下，系統性地進行仿真比對與交叉驗證。

Weitenberg明確表示：“我們的目標并非合并仿真模型，而是相互借鑒、雙重校驗結果。”盡管如此，這種系統化方法在科學、技術和經濟層面極具價值：通過將各自在不同應用領域成熟開發的獨立代碼應用于同一設計方案，合作方能確保其仿真預測具備極強的穩健性與可靠性。這一策略可大幅加速實際發電廠用激光器的研發進程，并在價值數十億的研發流程中規避代價高昂的失誤。

此次合作匯聚了兩家機構自20世紀90年代以來系統構建與深化的尖端專業能力，旨在大幅縮短研發周期。通過仿真驗證設計方案，合作雙方不僅能規避技術風險，更能避免巨大的財務風險：考慮到未來發電廠設計可能涉及多達400條光路，在轉入批量生產時任何微小的疏漏都可能導致巨額成本損失。

清潔能源戰略伙伴關系

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室聚變研究負責人Tammy Ma闡釋道：“從基礎研究轉向發電廠開發，需要快速、穩健地研制出堅固耐用的新型激光系統。弗勞恩霍夫激光技術研究所在二極管泵浦激光器工業規模化領域的專業知識，對加速慣性聚變能源計劃至關重要。通過合作，我們將高效夯實聚變發電廠的技術基礎。”弗勞恩霍夫應用研究促進協會科研與轉化執行副總裁Constantin Häfner教授強調：“我們正處于聚變能源發展的決定性十年。要釋放慣性聚變的全部潛力，必須以毫不妥協的完美標準開發新型激光架構。將勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的專業實力與弗勞恩霍夫協會及其激光技術研究所的工業規模化經驗相結合，是對這一挑戰的有力回應。我們正在為未來的發電廠奠定基石。”

聚變發電廠能夠持續產生具有競爭力、氣候中性的電力，成為波動性可再生能源的重要補充。通過下一代慣性約束聚變激光器國際合作項目，德國與美國正共同為這項未來技術奠定數學基礎。

 作者：弗勞恩霍夫激光技術研究所

來源：榮格-《國際工業激光商情》

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