激光核聚变：准备好了吗？

2022年12月5日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）国家点火装置（NIF）的一项实验向世界真正展示了激光核聚变的威力。强烈的激光脉冲射向胡椒粒大小的燃料颗粒，引发了聚变反应，产生了三兆焦耳（MJ）的能量，相当于一个普通美国家庭近一小时的耗电量。重要的是，这个强大的3兆焦耳的数字也比用于引发聚变反应的激光能量高出50%：首次在实验室中实现了聚变点火。

Constantin Häfner 教授

自这一引人注目的成果问世以来，核聚变能源产量持续上升，政府和私人投资基金也在不断增加，以激光为基础的核聚变初创企业竞相建造反应堆的数量也在不断增加，这一切都为光子学带来了好消息。德国弗劳恩霍夫激光技术研究所所长Constantin Häfner在2019年之前一直在LLNL领导一些世界上最强大的激光系统的开发工作。在2025美国西部光电展上，他在LASE全会上发表了题为“激光聚变能的全球进展及其对光子学市场的影响”的演讲。

正如他所说：在NIF取得突破性成功的基础上，激光惯性聚变能引起了人们的广泛关注。我将探讨其成就和对光子学的深远影响，以及非常多的行业机会。介绍光子学的成就和深远影响，以及非常多的行业机会。Häfner坚信，激光聚变能为光学和激光技术领域的强势企业带来了变革性机遇。然而，一些不太明显的机遇也在等待着我们去抓住。激光核聚变的范围已经超出了激光和光学领域，进入了业界尚未完全认识到的领域。

从 NIF 的目标舱俯瞰目标室周围的一些最终光学组件

“建造聚变反应堆需要先进的材料工艺，例如制造能够承受极端条件的部件，”他说，“激光增材制造尤其是特定合金的激光增材制造，在这方面也能带来变革。激光可以精确地生产和改进这些先进材料。”在全会上，Häfner还探讨激光聚变行业如何通过解决当今的技术差距，建立一个强大的供应链，并开拓“溢出”市场。他强调说：要想在未来10到15年内建造出首座同类聚变发电站，我们需要一个能够抓住这些机遇的行业。开发这些技术并带动产业发展将需要相当长的时间。

填补聚变空白

Häfner还曾担任德国联邦教育与研究部（BMBF）的惯性聚变能源专家小组组长。该小组预计，在坚定的承诺下，聚变发电厂将于2045年建成。但是，从现在到2045年之间，还需要填补许多技术空白，并建立有能力的供应链。用于内爆聚变燃料颗粒的脉冲高功率激光器仍需进一步开发。这些激光器必须更加坚固可靠，其壁插效率必须是现有系统的两倍左右。

今天的激光器可以提供一到两个千兆位高功率脉冲，但聚变电站至少需要10千兆位才能满足必要的可靠性要求。

就发电厂的反应堆容器而言，需要开发能够承受强大的中子、其他粒子和X射线辐射脉冲的材料。此外，还需要降低激光器、光子学和聚变靶等部件的制造成本。Häfner说：如果我们用现在的技术为发电厂建造聚变驱动激光器，其成本在经济上是没有竞争力的。为了降低成本，我们需要在激光系统和光学元件生产方面进行创新，同时实现高度标准化。激光器的组装也必须高度自动化，类似于现代汽车制造。

显然，聚变工厂的生产速度与汽车生产线相比还有一定差距，但Häfner确信，行业的发展势头将有助于满足对速度的需求。他指出，与行业伙伴合作的几个惯性聚变能源项目已经在解决激光聚变的痛点。例如，LLNL价值1600万美元的STARFIRE Hub项目正在通过开发供应链推动商业化进程。与此同时，弗劳恩霍夫领导的价值1800万欧元（约合1850万美元）的PriFUSIO网络汇集了众多初创企业和知名企业，共同开发关键的激光架构和组件。

由德国联邦科学与技术部资助的DioHELIOS项目联合了德国众多光电企业以及包括弗劳恩霍夫激光技术研究所在内的多家研究机构，致力于提高激光惯性约束聚变中使用的激光二极管的功率和效率。Häfner说：我们看到了工业界的坚定承诺。德国的每个项目征集都获得了超额认购，我认为这是一个非常积极的信号，表明该行业正在获得发展动力。

Häfner还认为，2024年11月在罗马意大利外交与国际合作部举行的世界聚变能小组首次会议上，许多国家发表的声明表明，各国明确承诺将聚变能推向商业化。2024年11月在罗马举行的世界核聚变能源集团成立大会上，许多国家都发表了声明，明确承诺将核聚变能源推向商业化。会议汇集了来自公共和私营部门、工业界、学术界和国家实验室的利益相关者，强调了技术突破如何产生了工业动力，使在不久的将来部署核聚变工厂变得越来越有可能。

NIF电站：展示未来惯性聚变能发电厂的概念图。聚变发电厂的规模可能与今天的大型基荷发电厂相似

当时，与意大利总理Giorgia Meloni共同主持会议的国际原子能机构总干事Rafael Mariano Grossi说：“直到最近，核聚变能源还是一个遥不可及的梦想，但现在随着私营部门的迅速参与和重大技术突破，核聚变的实现似乎指日可待。”Häfner则预计，核聚变向市场的过渡将为世界各国提供“独特的机遇”，使其在新能源市场上处于领先地位，并促进经济增长。他还确信，伴随而来的风险可以通过战略性投资和创新性决策加以控制。

他说：聚变能源供应链中最具变革性的应用可能还不为人所知。为了抓住这些机遇，未来的投资决策需要考虑市场动态、技术潜力、可扩展性、监管框架和知识产权管理。他还提醒说，保持势头至关重要，我们所面临的挑战和最终的挫折都需要持续的承诺和韧性，以确保成功。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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