慣性核融合發電廠

慣性融合能源是一種基於工業規模進行慣性約束融合，以建造核融合發電廠的提案方法。這種融合能源方法仍處於研究階段。慣性約束融合（ICF）在 1960 年雷射問世後不久首次發展，但在其最初幾年是一項美國的機密研究計畫。1972 年，John Nuckolls 發表了一篇論文，預測壓縮靶丸可以創造出融合反應相互鏈結的條件，此過程稱為融合點火或燃燒電漿。2021 年 8 月 8 日，勞倫斯利佛摩國家實驗室的國家點火設施（NIF）成為全球首個展示此現象的 ICF 設施（見圖）。此一突破促使美國能源部於 2022 年成立慣性融合能源計畫，第一年預算為 300 萬美元。

IFE 發電廠設計

此類融合反應爐將由兩部分組成：

靶丸，可以是包含融合燃料的小型膠囊（直徑 < 7 毫米）。儘管已測試過多種類型的靶丸，包括：圓柱體、塗覆奈米管的外殼、實心塊、柱腔、填充融合燃料的玻璃外殼、低溫冷凍靶丸、塑膠外殼、泡沫外殼以及懸掛在蜘蛛絲上的材料。
驅動器，用於壓縮並產生衝擊波以擠壓靶丸。此壓縮波將材料推至發生融合所需的溫度與壓力。已探索的驅動器包括固態雷射、準分子雷射、高速固體物體、X 光、離子束（重離子融合（HIF））以及電子束。

ICF 的淨能量來自於在一個稱為「點火」的過程中，讓融合反應相互鏈結。為達此目的，我們需要將材料在足夠長的時間內擠壓至高溫高密度狀態。但一個關鍵問題是，電漿一旦變熱，就很難壓縮。因此，目標是避免材料在壓縮完成前變熱。在文獻中，這被稱為低絕熱壓縮法。這些步驟概述如下：

保持電漿極度低溫，將其擠壓在一起。
僅在電漿被擠壓後才加熱；理想情況是在一個「熱點」內進行。
融合發生，其產物釋放能量，創造更多融合。

數種壓縮方法試圖實現此目標，包括：中心熱點點火、快速點火、衝擊點火和磁慣性融合。

ICF 研究機構

此計畫最初是作為發展核子武器的一種方式而建立的，因為 ICF 模擬了核分裂-融合彈的壓縮物理過程。世界各地已建造了這些設施，以下是一些例子。

法國的兆焦耳雷射於 2002 年開發，並於 2014 年升級。
Omega 雷射於 1992 年首次在羅徹斯特大學建造。
Omega-EP 於 2008 年首次在羅徹斯特大學建造，作為第二個更強大的雷射束。
Gecko 雷射於 1983 年首次在日本大阪大學建造，但此後已升級近十次。
NIF 於 2009 年首次在勞倫斯利佛摩國家實驗室運作。
NIKE 雷射建於海軍研究實驗室，用於研究準分子（氣體）雷射。
Electra 雷射建於海軍研究實驗室，用於研究準分子（氣體）雷射。
捷克共和國的 PALS 雷射設施旨在研究 ICF 雷射內爆。
Machine 3 由 First Light Fusion 開發，用以加速材料塊以在靶丸上產生衝擊波。

過去也曾有多個 ICF 設施被建造、測試和退役。例如，桑迪亞國家實驗室在 1970 年代至 1980 年代中期，推動了一系列（<10 部機器）由離子束和電子束驅動的 ICF 研究計畫。另外，洛斯阿拉莫斯在 1980 年代後期建造了一個名為 Aurora 的大型準分子雷射設施。勞倫斯利佛摩國家實驗室建造了一系列的雷射設施，包括 Nova、Cyclops、4-PI、SHIVA 及其他裝置。作為 NIF 開幕並實現點火的準備工作之一，勞倫斯利佛摩國家實驗室資助了圍繞雷射慣性融合能源計畫的一系列研究。在此計畫下，開發了一種反應爐設計，並探討了成本計算、反應爐腔室和能量捕獲方案。

IFE 研究計畫

IFE 的發展在美國呈現波浪式進程。以下是多年來為推動此技術發展而獲得資助的一些政府計畫：

HAPL 高平均功率雷射計畫由海軍研究實驗室於 1999 年至 2008 年管理。該計畫向全美的靶丸、雷射和驅動器團隊發放補助金，並在成員組織間舉辦了 19 次會議。
LIFE 雷射慣性融合能源計畫由勞倫斯利佛摩國家實驗室於 2008 年至 2016 年管理。該計畫獲得資助，旨在開發一種基於國家點火設施的 IFE 融合發電廠。
SDI 戰略防禦計畫（SDI）無意中支持了現今所見的許多 IFE 雷射技術。

驅動器開發

目前尚不清楚哪種驅動器最適合 IFE 發電廠，不同驅動器的支持者各自推崇其偏好的方法。迄今為止，雷射已被證明是研究最充分的。以下是已研究過的雷射驅動器總結。實施雷射系統的挑戰不僅來自光束本身，還來自於安裝此系統所需的光學元件、反射鏡、放大器和光柵。

靶丸開發

已為 ICF 研究開發出多種類型的靶丸——但一座發電廠將需要成千上萬，甚至數百萬個相同的靶丸進行重複發射。這將極具挑戰性。目前，美國能源部與通用原子公司簽約，為國家實驗室生產 ICF 靶丸。這些靶丸部分在 GA 製造，然後運送至全國各地的 ICF 設施，以備發射日之用。實驗室在現場維護硬體和人員，以完成準備靶丸發射的最後步驟。

靶丸範例

玻璃外殼靶丸是置於支架上的玻璃球，內填氘氚氣體；這些是最早期的靶丸之一。
覆層靶丸涉及在一個外殼靶丸上生長化學材料。這可以通過塑膠或金銀層的定向化學氣相沉積來完成。
柱腔靶丸是氘氚融合燃料丸，被金箔管包圍。雷射撞擊金箔產生 X 光來壓縮靶丸；此過程模擬核子武器。
蛛絲懸掛靶丸被安裝在蜘蛛絲的纖維上；這種材料是已知每單位截面最強的材料，並在低溫下仍保持良好特性。
低溫靶丸是那些必須保持在 ≈34 克耳文以下以將氫氣凝結成液體，或 ≈14 克耳文以下凝結成固體的靶丸。
泡沫浸潤靶丸使用多種碳氫泡沫製成，並填充冷卻至 ≈34 克耳文以下的液態氘氚材料。
冰靶丸使用多種碳氫泡沫製成，並填充冷卻至 ≈14 克耳文以下的液態氘氚材料。

低溫靶丸

將氚和氘送入已製成的膠囊中有多種方法。高壓填充法是將外殼置於 1 至 100 大氣壓的氣體室中，讓氣體擴散入外殼。低溫泡沫外殼可藉由芯吸作用將液態氘氚流體吸入泡沫中。這涉及在不損壞精緻外殼的情況下，將其降至低溫低壓。這是一個分步過程，可能需要數小時至數天時間，並需要多個密閉室和各種類型的泵。在低溫下，氘氚氣體形成液體，可被芯吸入泡沫外殼中。填充後，操作員緩慢進一步降低溫度以形成冰晶。冰可以從靶丸赤道周圍開始形成，然後生長成完整的晶體。冰被嵌入泡沫外殼結構中。工程師在此形成過程中遇到了冰裂的問題——所有這些都會影響發射的性能。對這一切的監控是通過陰影圖、360 度 X 光診斷、目視檢查和其他工具完成的；所有資訊都通過軟體運行，以獲得靶丸填充過程的完整圖像。

移動低溫靶丸

在將 ICF 靶丸送至腔室進行發射時，要將其保持在低溫冷凍狀態是一項挑戰。例如，在雷射能量學實驗室，冷凍靶丸被置於一個客製化的移動式低溫推車內，該推車可移動到靶丸腔室下方的位置。推車配有冷卻系統和真空泵以保持材料低溫。此推車將冷凍靶丸固定在一個「冷指」的末端，然後由升降機升起並定位於腔室中心。當金屬護罩被移除時，低溫靶丸暴露於室溫下，並立即開始昇華成氣體。這意味著雷射脈衝必須與靶丸的暴露直接協調，且所有動作都必須迅速完成，以防止靶丸融化。

參見

核融合
融合能源
慣性靜電約束
慣性約束融合
雷射慣性約束
兆焦耳雷射
國家點火設施
Z箍縮慣性約束
Z脈衝功率設施
PACER計畫

註釋與參考資料

延伸閱讀

(Université Bordeaux I, November 2005)
Tutorial on Heavy-Ion Fusion Energy(Virtual National Laboratory for Heavy-Ion Fusion)
(November 2003)
(Fusion Energy Sciences Advisory Committee, March 2004)
(June 2005)
Views on neutronics and activation issues facing liquid-protected IFE chambers
IEEE-USA Position : Fusion Energy Research & Development(June 2006)

Category:慣性約束融合 Category:能源發展 Category:核技術 Category:核電廠 Category:大阪大學研究