相干和NIF:离创造聚变能源更近一步

在大口径相干光学的帮助下,世界上最大的激光系统接近自我维持聚变的目标

2022年2月15日 连贯的

光遗传学

你还活着是因为核聚变. 这就是太阳的能量来源,而太阳提供了地球上所有生命所需的能量. 自20世纪40年代以来,科学家们一直试图利用核聚变在地球上发电. 他们最近离实现这个目标又近了一小步 国家点火装置(NIF) 在美国.

我们不是已经有核能了吗?

今天的核电站通过核裂变产生能量. 裂变分裂出一个大的原子,比如铀或钚. 它会产生大量的能量,但也会产生放射性废物. 聚变结合原子——通常是特殊类型的氢原子——并释放比裂变更多的能量. 它的副产品是氦, 这并不是放射性, 所以它不会在处理或处置有毒废物方面产生任何问题.

So, 你如何创造极端的条件——比如太阳中心的条件——来进行聚变反应? 一种方法是使用192束产生500万亿瓦功率(20纳秒)的激光束,将它们聚焦在直径只有几毫米的燃料球上,将其加热到100毫米,000,000°C.

做这件事就像听起来一样简单!

而且,这正是NIF真正完成的. 可以说,NIF是迄今为止建造的最大、能量最大的激光系统, 这几乎是难以想象的复杂和复杂.

NIF激光器安装在一个相当于三个美国足球场大小的建筑中. 它从单个的输出开始, 用红外光纤激光把它劈开, 并将其放大无数倍,从而产生前面提到的192束单独的激光束. 有各种各样的光束调节和转换光学使它正确工作,并得到预期的结果. 其中包括将红外激光转换成紫外线的非线性晶体, 哪种方法更适合核燃料芯块.

相干激光聚焦于高能激光光学

相干Tinsley 通过提供楔形聚焦透镜(WFLs), NIF称之为“最终光学装配”,有助于这一努力.“这是系统的一部分,将激光束集中到聚变球上.

每个WFL是一个400毫米x 400毫米大小,7.焦距7米,由高质量的熔融二氧化硅制成的离轴非球面透镜. 我们采用了一套计算机控制的抛光和测量工具,以实现NIF对这些组件的非凡精度要求.

最大限度地减少高功率激光能量吸收所造成的光学损伤是制作高功率光纤激光器的一个重要考虑因素. 这意味着在生产的每个阶段都要避免表面污染. 为实现这一目标, 这些部件的整个抛光过程都是在洁净室条件下进行的. 和, WFL的最后一步是用酸液浸蚀掉外层抛光玻璃层,因为外层可能隐藏着杂质或亚表面损伤,会降低激光的性能.

尽管有这些预防措施,巨大的激光能量在 NIF系统 意味着WFL和其他 光学 有一个有限的寿命并且不断地被替换. 所以,相干·廷斯利给国家科学基金会提供了稳定的供应. 这里的一个关键要求是这些成分不会随单位或时间的变化而变化. 我们是世界上少数能够持续生产这种产品的制造商之一 大孔径、precision-aspheric光学 在高容量.

但是,NIF不断提高激光产生的能量. So, 我们必须不断改进我们自己的制造工艺,以提供更好的和更原始的光学表面,随着对WFLs需求的增加.

太阳来了

尽管极端条件下,NIF激光达到, 它还没有产生持续的核聚变反应. 其他人也没有. 具体地说, 目标是实现点火, 这意味着核聚变产生的能量大于提供的激光能量.

但, 8月8日, 2021, NIF通过创造一种能产生超过1个核聚变反应,向这个目标又迈进了一步.3兆焦耳(MJ)能量. 这是他们之前记录的8倍. 而且,它让我们离自给自足的核聚变越来越近.

相干Tinsley 很高兴我们的高精度, 大孔径光学 发挥了重要的贡献作用, 以及其他前沿研究项目,比如 詹姆斯·韦伯太空望远镜30米望远镜.

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