探討磁約束的可替代方案

激光聚變是點燃核聚變反應的一種方法，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，使燃料發生微內爆，結果燃料芯塊表層被燒蝕，并發生爆炸。這個過程所產生的慣性保持燃料長時間受到約束，足以產生聚變反應。

激光聚變實驗始于20世紀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壁，激光與空腔的相互作用產生X射線，X射線使膠囊加熱并壓縮，在芯塊內形成一個中心熱斑，在那里發生聚變反應。

為實現點火——核聚變實現完全自持的點，國家點火裝置的膠囊應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展，現在能夠產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，“達到30倍放大增益仍然是主要目標，但這是非線性過程，我們已采取許多重要技術步驟，以實現這一目標。”

將燃料熱斑內的中心壓力增加到大氣壓力的幾十億倍，是實現商業可行的核聚變的關鍵。通過從塑料囊轉向微晶、高密度碳囊，改進用于支撐碳囊的工程特性，以及增強用于向碳囊內填充聚變燃料的結構，國家點火裝置已在該領域取得實質性進展。這使專家們能夠顯著提高從激光所產生能量到膠囊所吸收能量的能量耦合效率，并最終產生更多能量。

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

2020年，國際原子能機構啟動了

一個題為“從慣性聚變獲得能源的途徑：材料研究和技術開發”的新協調研究項目。該項目涉及17個國家的24個研究機構，是該領域協調研究項目系列第四期項目，重點是開發高增益膠囊設計，以實現完全自持聚變。

光束碰撞產生聚變

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

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

從可替代約束到先進燃料

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

然而，氚具有放射性，并且在自然中不會大量存在。因此，必須通過聚變所產生的中子與圍繞著反應堆壁的鋰之間的核反應進行“增殖”。這些中子能量也對反應堆真空容器中的材料構成重大挑戰，因為當中子與反應堆壁碰撞時，反應堆的結構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，現在一些實驗使用可替代或先進的聚變燃料，例如質子與硼-11（p–B-11）聚變中的硼-11。硼-11不具有放射性，自然界中發現的所有的硼含有80%左右的硼-11，所以它很容易獲得。然而，質子與硼-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、最環保的燃料來源，有足夠的自然資源供地球持續使用幾千年，并且質子與硼-11聚變不產生任何有害的副產品。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、經濟性、效率和持久性。”TAE技術公司首席執行官Michl Binderbauer說，“質子與硼-11聚變的主要難點在于它需要比其他燃料循環更高的溫度來維持聚變反應。TAE技術公司已開發一種可替代約束概念來解決這一難題。”

因此，先進燃料可以為未來生產聚變能源提供一種更有效和高效的方式。