通用原子公司创新推动惯性聚变领域突破 并使国家点火设施得以重复进行聚变点火实验

2024 年 6 月 3 日（GLOBE NEWSWIRE）——通用原子公司 (GA) 开发的一种新工具使科学家能够优化惯性约束聚变 (ICF) 实验中使用的靶材质量。该系统被称为 4Pi，已经改善了实验结果并提高了 ICF 产量。从 2022 年 12 月聚变点火的历史性突破开始——美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆将其描述为“21 世纪最令人印象深刻的科学壮举之一” ——在国家点火装置 (NIF) 实现点火的五个实验中的每一个都使用了由 4Pi 系统表征和选择的靶材。

通用原子公司先进诊断卓越中心副主任兼 4Pi 项目负责人黄海波表示：“通用原子公司很自豪能够为 ICF 研究领域开启综合表征的新时代。4Pi 系统允许多种具有互补功能的仪器从不同角度检查同一目标并获得更深入的见解。随着创造破纪录的点火产量所需的目标越来越复杂，这种综合方法是必不可少的。”

GA 的 4Pi 系统将多达八种仪器组合在一个通用坐标系中，包括机器人、自动化、批量评估和机器学习技术，以避免将目标从一种仪器手动转移到另一种仪器时可能出现的测量误差，并从每个生产批次中识别出最佳目标。

在 ICF 中，高功率激光用于快速压缩充满氢燃料的靶，使原子融合在一起并释放出大量能量。当反应中释放的能量大于传递给靶的能量时，靶就会实现“点火”。

靶材的质量是实现点火的关键因素，而制造靶材的过程极具挑战性，因为每个靶材的直径约为 2 毫米（相当于一颗 BB 弹的大小），并且制造公差为亚微米。当靶材被压缩时，最细微的缺陷和不均匀性都会影响燃料的行为，而小于人类头发直径 1/100 的缺陷和不均匀性都可能阻止点火。

4Pi 系统上的两种仪器特别协助了劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的 NIF 最近的点火突破。这些仪器包括数字全息显微镜（可识别目标表面的缺陷）和傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱仪（可绘制目标壁厚的变化）。 

GA惯性聚变技术副总裁 Mike Farrell表示：“GA 能源集团致力于开发 4Pi 等先进技术，为美国国家核安全局 (NNSA) 面临的最严峻挑战提供解决方案。我们特意将 4Pi 系统设计为模块化，以便它能够随着项目需求而发展，例如新类型的目标和新类别传感器的可用性。”

自 1991 年以来，作为 NNSA 在 ICF 目标和目标支持服务方面的主要商业合作伙伴，GA 每年为 NIF、桑迪亚国家实验室的 Z 脉冲功率设施和激光能量学实验室的 Omega 激光设施进行的实验提供超过 12,000 个组件。

LLNL 的 NIF 是世界上最精确、可重复性最高的激光系统，在 ICF 实验期间，可将 192 束光束聚焦到每个目标上。GA 和 LLNL 在 NNSA 的 ICF 和高产量研究计划下建立了长期合作伙伴关系，以帮助实现无需地下试验的安全、可靠和有效的核威慑。

2022年12月，NIF实现了历史上首次受控聚变点火。

“自那时起，我们已经重复点火四次，” NIF 主任 Gordon Brunton 说道。“2 月初，我们通过向目标发射 2.2 MJ 的激光能量实现了 5.2 MJ 的聚变输出，这是我们迄今为止的最高产量。”

GA 与 LLNL 之间的密切合作，包括 Kurt Boehm (GA)、Dan Casey (LLNL)、Haibo Huang (GA)、Pasha Lapa (GA)、Shahin Pajoom (GA)、Art Pak (LLNL)、Mark Ratledge (GA)、Neal Rice (GA)、Kevin Sequoia (GA)、Michael Staderman (LLNL) 和 Masashi Yamaguchi (GA)，为惯性聚变靶制造研究和开发的持续增长做出了重大贡献。