10月23日，聚变能源领域的初创公司Focused Energy宣布了一项重大计划：在旧金山湾区建设一个尖端的激光聚变开发设施，该设施将作为公司在美国的总部。这一设施将配备全球最先进的高能原型惯性聚变激光器，这对于推动商业化聚变能源的开发和实现无限、清洁能源的愿景具有重要意义。
进一步的进展在12月21日得到了INTERESTING ENGINEERING的关注，他们在一篇题为《High-powered lasers fire up fusion energy dreams: German firm makes bold move》的文章中报道了这一动态。文章指出，Focused Energy与领先的激光制造商Amplitude签署了一项战略协议，确保获得两台全球最强大的激光器，这些激光器专为核聚变研究而设计。这一合作不仅加强了Focused Energy在实现惯性约束聚变（ICF）技术方面的努力，也标志着公司在推进核聚变能源商业化道路上迈出了重要一步。
惯性约束聚变技术为世界日益增长的能源需求提供了一个潜在的解决方案，即无限的清洁能源。Focused Energy 表示：“这些激光系统将作为技术基础，使我们能够构建模块化激光阵列，这对于一个能够向电网供应清洁能源的聚变试点工厂至关重要。”
一、惯性约束聚变（ICF）
惯性约束聚变（ICF）是一种实现受控热核聚变反应的方法，被认为是实现清洁聚变能源和军事应用的有希望途径之一。ICF的基本思想是利用激光或离子束作为驱动源，脉冲式地提供高强度能量，均匀地作用于装填氘氚(DT)燃料的微型球状靶丸外壳表面，形成高温高压等离子体。这个过程中，利用反冲压力使靶外壳极快地向心运动，压缩氘氚主燃料层到极高密度，并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑，达到点火条件。驱动脉冲宽度为纳秒级，在高温高密度热核燃料来不及飞散之前，进行充分热核燃烧，放出大量聚变能。
ICF的过程可以分为直接驱动和间接驱动两种途径。
- 在直接驱动中，多束激光束直接均匀辐照含有热核燃料的聚变靶丸，激光能量被靶丸外层低密度的冕区中的电子吸收，电子热传导将能量输运到靶壳的高密度区，驱动烧蚀并产生内爆。
- 而在间接驱动中，激光能量被围绕靶丸的黑腔壁高Z物质吸收并部分转换成X光能量，并被约束在黑腔内，然后X光被燃料的靶丸吸收，产生烧蚀压力，驱动内爆。
ICF研究除了应用于聚变能源之外，还可用于基础科学研究，并且对于国民经济、军事应用以及基础研究探索都有着重要而特殊的意义。例如，美国于2009年建成国家点火装置(NIF)，法国正在加紧建造兆焦激光装置(LMJ)。这些研究和设施的建设，展示了ICF在全球范围内的重要性和进展。
二、Focused Energy 的 ICF 利用高功率激光器
Focused Energy 的惯性约束聚变过程就是使用多台高功率激光器照射一个小燃料球。激光的能量压缩燃料球，增加其密度和温度至极端水平，触发聚变反应，模拟太阳内部的过程，并释放出大量能量。前面我们也提到了这一方法在 2022 年通过美国国家点火装置（NIF）的突破，实现了净正聚变功率的历史性里程碑。
-激光驱动系统：Focused Energy 正在开发高重复频率激光驱动系统，以提高可靠性并通过大规模生产降低成本。这些激光驱动系统将用于惯性约束聚变的燃料压缩和点火。
-快速点火目标设计：Focused Energy 的快速点火目标设计旨在通过质子束触发聚变反应。该设计包括一个高重复频率的点火系统，能够进行高能量压缩和点火实验。
这种净正功率意味着聚变反应产生的能量超过了启动它所用的激光能量。然而，实现商业化的聚变能源仍然面临挑战，科学家和工程师正在努力克服这些挑战。
三、克服聚变能的挑战
为了应对这些挑战，Focused Energy 正在投资激光技术。他们从 Amplitude 获得的两台激光器属于千焦耳级，设计用于高能量输出和重复率。
这些特性对于进行推进聚变研究所需的实验至关重要，尤其是对于优化氘-氚燃料颗粒的压缩。
新闻稿中解释道：“在 Focused Energy 的直接驱动激光聚变方法下，激光压缩然后点燃毫米级的氘/氚聚变燃料目标。”新型激光器将使 Focused Energy 能够研究激光性能和聚变目标设计的复杂性。这些激光器具备的一个显著优势是它们每60秒就能发射一次激光脉冲，这大大加快了实验过程。
四、聚变能的承诺
Focused Energy 正在旧金山湾区建造一座新设施来安置这些激光器。该设施预计将在未来两年内投入运营，将成为聚变研究的中心。
Focused Energy 强调：“一旦实现商业化核聚变，三罐汽水大小的氘/氚聚变燃料就能够为旧金山大小的城市提供一天的电力。”
Focused Energy 的直接驱动激光聚变方法被认为是实现商业可行聚变能源最有希望的途径之一。
除了 Focused Energy 以外，还有其他几家初创公司也在致力于开发核聚变反应堆，例如麻省理工学院衍生的 Commonwealth Fusion Systems (CFS)，该公司最近宣布将在弗吉尼亚州建造世界上第一个电网规模的商业聚变发电厂。
五、关于Focused Energy
Focused Energy 是一家致力于开发激光驱动惯性聚变能源的初创公司。2021 年 7 月，Focused Energy 成立，作为达姆施塔特大学和 National Energetics 的技术衍生公司。公司位于美国德克萨斯州奥斯汀和德国达姆施塔特，由两位在超高功率激光器领域颇有专长的物理学教授托德·迪特米尔(Todd Ditmire)和马库斯·罗斯(Markus Roth)创立。Focused Energy 的目标是通过激光驱动惯性聚变技术实现安全、清洁、几乎取之不尽的能源生产。
Focused Energy 计划在2030年代中后期建立聚变试点工厂，目标是通过激光核聚变实现商业化能源生产。Focused Energy汇集了在研究和原型阶段开发的所有知识和技术，以创建一个功能齐全的发电厂。
参考链接：
- https://interestingengineering.com/energy/high-powered-lasersfusion-energy
- https://www.prnewswire.com/news-releases/focused-energy-announces-plans-to-build-state-of-the-art-laser-fusion-development-facility-in-the-san-francisco-bay-area-302284032.html
- https://www.focused-energy.world/#/
- https://laser.ofweek.com/2022-08/ART-12005-2400-30572832.html