激光聚變是點燃核聚變反應(yīng)的一種方法，是磁約束的潛在可替代方案。激光聚變通過慣性約束，使用高功率激光器加熱和壓縮含有氫同位素（例如氘和氚）燃料芯塊的微小球形膠囊。強烈加熱膠囊表面，使燃料發(fā)生微內(nèi)爆，結(jié)果燃料芯塊表層被燒蝕，并發(fā)生爆炸。這個過程所產(chǎn)生的慣性保持燃料長時間受到約束，足以產(chǎn)生聚變反應(yīng)。

激光聚變實驗始于20世紀(jì)70年代。目前，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置擁有192束激光，無疑是世界上最大的激光裝置。在國家點火裝置中，一個稱作“空腔”的圓柱形金色容器里面裝有包含氘-氚燃料的膠囊，利用激光加熱該容器內(nèi)壁，激光與空腔的相互作用產(chǎn)生X射線，X射線使膠囊加熱并壓縮，在芯塊內(nèi)形成一個中心熱斑，在那里發(fā)生聚變反應(yīng)。

為實現(xiàn)點火——核聚變實現(xiàn)完全自持的點，國家點火裝置的膠囊應(yīng)該釋放出比其吸收的能量多30倍左右的能量。

“在過去五年中，我們在國家點火裝置取得了重大進(jìn)展，現(xiàn)在能夠產(chǎn)生的能量比我們投入燃料熱斑能量的2.5～3倍還多。”國家點火裝置慣性約束聚變建模副主管Brian Spears說，“達(dá)到30倍放大增益仍然是主要目標(biāo)，但這是非線性過程，我們已采取許多重要技術(shù)步驟，以實現(xiàn)這一目標(biāo)?！?/p>

將燃料熱斑內(nèi)的中心壓力增加到大氣壓力的幾十億倍，是實現(xiàn)商業(yè)可行的核聚變的關(guān)鍵。通過從塑料囊轉(zhuǎn)向微晶、高密度碳囊，改進(jìn)用于支撐碳囊的工程特性，以及增強用于向碳囊內(nèi)填充聚變?nèi)剂系慕Y(jié)構(gòu)，國家點火裝置已在該領(lǐng)域取得實質(zhì)性進(jìn)展。這使專家們能夠顯著提高從激光所產(chǎn)生能量到膠囊所吸收能量的能量耦合效率，并最終產(chǎn)生更多能量。

“重大科學(xué)挑戰(zhàn)仍然擺在眼前，但最近在國家點火裝置和其他裝置的進(jìn)展證明，我們離通過激光聚變實現(xiàn)點火閾值越來越近。”Spears說。

2020年，國際原子能機構(gòu)啟動了

一個題為“從慣性聚變獲得能源的途徑：材料研究和技術(shù)開發(fā)”的新協(xié)調(diào)研究項目。該項目涉及17個國家的24個研究機構(gòu)，是該領(lǐng)域協(xié)調(diào)研究項目系列第四期項目，重點是開發(fā)高增益膠囊設(shè)計，以實現(xiàn)完全自持聚變。

光束碰撞產(chǎn)生聚變

激光和磁約束方案的另一種選擇是利用由粒子加速器產(chǎn)生的離子束，使這些光束相互瞄準(zhǔn)，在碰撞時便會發(fā)生聚變。這種方法的一大缺點是，粒子相互碰撞不發(fā)生聚變且不產(chǎn)生能量的概率很高。

美國私營TAE技術(shù)公司利用一種線性裝置：一個25米長的圓柱形反應(yīng)器。從反應(yīng)器兩端發(fā)射的兩個等離子體，在反應(yīng)器中央的云中發(fā)生碰撞與融合，實現(xiàn)聚變。然后，氘原子被點火進(jìn)入云中以使云旋轉(zhuǎn)，從而保持等離子體的高溫和穩(wěn)定性。

從可替代約束到先進(jìn)燃料

通過激光器或線性裝置實現(xiàn)核聚變的另一個優(yōu)點是，這些方法可以更容易地適應(yīng)使用氘和氚以外的燃料。傳統(tǒng)上，這些氫同位素的混合物一直被用于實現(xiàn)聚變，因為它們可以在比其他燃料更低的溫度下達(dá)到最高的反應(yīng)速率。

然而，氚具有放射性，并且在自然中不會大量存在。因此，必須通過聚變所產(chǎn)生的中子與圍繞著反應(yīng)堆壁的鋰之間的核反應(yīng)進(jìn)行“增殖”。這些中子能量也對反應(yīng)堆真空容器中的材料構(gòu)成重大挑戰(zhàn)，因為當(dāng)中子與反應(yīng)堆壁碰撞時，反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)和部件會變得具有放射性。這就需要注重輻射安全和廢物處置方面的考慮。

為了繞過使用氚所帶來的挑戰(zhàn)，現(xiàn)在一些實驗使用可替代或先進(jìn)的聚變?nèi)剂?，例如質(zhì)子與硼-11（p–B-11）聚變中的硼-11。硼-11不具有放射性，自然界中發(fā)現(xiàn)的所有的硼含有80%左右的硼-11，所以它很容易獲得。然而，質(zhì)子與硼-11聚變的主要問題是，它要求等離子體的溫度比含有氘和氚的等離子體溫度高一百倍。幸運的是，通過激光點火或線性裝置，加熱被限定于熱斑，而不必使整個等離子體溫度顯著提高。

“硼-11是地球上最清潔、最環(huán)保的燃料來源，有足夠的自然資源供地球持續(xù)使用幾千年，并且質(zhì)子與硼-11聚變不產(chǎn)生任何有害的副產(chǎn)品。這些因素綜合起來，可以最大限度地提高聚變電廠的安全性、經(jīng)濟(jì)性、效率和持久性?！盩AE技術(shù)公司首席執(zhí)行官Michl Binderbauer說，“質(zhì)子與硼-11聚變的主要難點在于它需要比其他燃料循環(huán)更高的溫度來維持聚變反應(yīng)。TAE技術(shù)公司已開發(fā)一種可替代約束概念來解決這一難題?！?/p>

因此，先進(jìn)燃料可以為未來生產(chǎn)聚變能源提供一種更有效和高效的方式。