氢核聚变是在地球上创造富有成效的可持续能源的一个很有希望的选择。但利用它的难点在哪里？启动核聚变过程需要极高的压力和温度。从技术上讲，这可以通过"激光聚变"或"惯性约束聚变"来实现。通过起草"X 射线激光优化激光聚变"（Röntgenlaser-Optimierung der Laserfusion，ROLF）项目，德累斯顿罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）高级系统理解中心（CASUS）的托比亚斯-多恩海姆（Tobias Dornheim）博士现在打算改进对氢压缩的理论理解。
HIBEF 提供了对材料结构和极快自然过程的洞察力，例如发生在温热致密物质样本中的过程。图片来源：HZDR / 科学传播实验室
未来，激光核聚变实验将不再采用"反复试验"的方法，而是以更有针对性的方式进行设计和实施，这也是商业核聚变发电站的必要前提。除了欧盟通过"公正过渡基金"（Just Transition Fund）提供资助外，萨克森自由州也直接为该项目提供了资助。
核聚变过程所需的超高压和超高温是通过压缩一个最初非常冷的充满氢同位素氘和氚的胶囊来实现的。在聚变反应过程中，氢会在一定时间内进入一种特殊状态--温致密物质（WDM）。就压力和温度而言，这种状态大致介于凝聚态物质和热等离子体之间，是多恩海姆的专业领域。2022 年底，这位年轻的研究员通过竞争程序获得了欧洲研究理事会价值近 150 万欧元的"启动资助"。目前，该项目的工作正在进行中：多恩海姆和他的团队正在开发机器学习方法，以便对波分复用进行可靠的理论描述。结构转型项目目前正在关注一个更加实际的挑战。
"激光核聚变的一个主要问题是实现激光爆炸的稳定压缩，"CASUS"计算量子多体理论前沿"青年研究小组组长、ROLF 项目负责人多恩海姆解释说。"燃料囊的内爆必须尽可能均匀，即没有任何不稳定因素，以确保尽可能多的燃料被熔化，并释放出相应数量的可用能量。要做到这一点，我们必须首先加深对波分复用器行为方式的理解。"
大型研究设施，如欧洲 XFEL 的亥姆霍兹国际极端场光束线（HIBEF）和美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF），对诸如行星和恒星内核中的温致密物质进行了实验研究。在这些设施中，利用强大的激光闪光可以在几分之一秒内产生波分复用器。多恩海姆的团队正在与这两个机构合作。分析激光聚变的一种重要实验方法是 X 射线汤姆逊散射（XRTS），而这正是新的 ROLF 项目的作用所在。
让每个人都能获得 X 射线诊断
在利用 X 射线散射进行诊断时，X 射线源会对准样品。测量在样品中偏转的光子的能量变化，并以此得出有关材料特性的结论。到目前为止，对测量数据的评估主要基于一系列不可控的近似值。然而，一年前，CASUS 团队证明，无需使用任何模拟或模型及其所有近似值和假设，就可以进行精确的数据评估。
多恩海姆和他的团队采用了一种基本的数学方法，即拉普拉斯变换。在 ROLF 中，研究人员计划创建一个开源软件包，使所有激光熔融专家都能使用这种评估方法。此外，他们还打算进一步开发该方法，以便于在使用 XRTS 测量进行无模型、高精度温度测定之外的应用。将来，还可以确定其他相关变量，如波分复用器的密度或电离程度。
然后，格尔利茨的团队打算使用新设计的软件来分析现有的 XRTS 数据，例如来自欧洲 XFEL 的数据，以开发和实验测试新的 X 射线散射测量方法。一旦 XRTS 诊断有了坚实的基础，从 X 射线散射中得出的结论将被纳入激光聚变模拟中。多恩海姆简要地展望道："我们认为，从这些模拟中得出的参数将能够大大改善舱体的压缩，并迎来全新一代的聚变实验。"
HZDR 可为激光聚变做出贡献
最近，联邦教育与研究部（BMBF）提出了一项新的聚变研究资助计划。其目的是在实现核聚变发电厂经济运行的国际挑战中发挥决定性作用。BMBF最近发表的一份立场文件强调了"精细诊断以验证代码和模型"的必要性。HZDR 的科学主任 Sebastian M. Schmidt 教授对 CASUS 项目获得资助感到非常高兴："有了 HIBEF、CASUS 以及我们的高功率激光器 DRACO 和 PENELOPE，HZDR 在激光核聚变研究中处于非常有利的地位，可以为激光核聚变研究做出重大贡献。我们可以破译为应用铺平道路的基本过程。"
公正过渡基金（JTF）是欧盟的一项资助工具，主要惠及依赖硬煤和褐煤的地区。卢萨特褐煤矿区的萨克森部分共可获得 3.75 亿欧元。尽管大部分资金用于支持受结构变革影响最严重地区的经济，但学术机构也可以申请研发项目资金。因此，CASUS 通过"2021-2027 年研究 InfraProNet"资助指令，为 ROLF 项目获得了超过 70 万欧元的 100% 资助。
编译自:ScitechDaily