Лазерна інерційна термоядерна фузія є стратегічним ринком майбутнього для фотоніки. Її здійсненність доведена. У Німеччині формуються консорціуми з промисловості та науки, щоб розробити кліматично нейтральне та внутрішньо безпечне джерело енергії та створити ефективні ланцюги постачання. Держава підтримує розвиток базових технологій для термоядерних електростанцій з сумою понад один мільярд євро. Ці підходи містять високий потенціал інновацій не лише в сфері фузії. Важливі учасники зустрічаються на LASER 2025 на панелі застосувань «Лазерна фузія: енергетичний імпульс для фотонної промисловості». Під керівництвом Fraunhofer ILT вона висвітлює ринкові потенціали та можливості фузії. Лазерна інерційна термоядерна фузія на порозі переходу з фундаментальних досліджень до технологічного розвитку, близького до застосування. Німеччина зробила кроки для швидкого освоєння кліматично нейтрального, доступного цілодобово джерела енергії. З моменту запуску урядом Німеччини весною 2024 року програми «Фузія 2040 – дослідження на шляху до термоядерної електростанції» сформувалося 16 консорціумів з обсягом фінансування 140 мільйонів євро. Корпорації, середні підприємства, стартапи, наукові установи та університети об'єднують свої компетенції для розробки базових технологій для термоядерних електростанцій. Це початок дослідницької кампанії, яку Німеччина фінансуватиме до 2030 року з сумою понад один мільярд євро. Додатково є приватні інвестиції залучених компаній. Більшість з них походять з фотонної промисловості та визнали фузію як стратегічний ринок майбутнього.
Застосування панелі «Лазерна фузія: енергетизація фотонної промисловості» на LASER
Панель застосувань у рамках виставки Laser World of Photonics досліджуватиме потенціал для фотонної промисловості. Під керівництвом доктора Йохена Столленверка, виконуючого обов'язки керівника Інституту лазерних технологій Фраунгофера ILT в Аахені, провідні експерти з промисловості та науки обговорять стан технологій, виклики та фотонні рішення. Вступну доповідь панелі "Лазерна фузія: енергетизація фотонної промисловості" виголосить професор Константин Хефнер, член правління з досліджень та трансферу Фраунгоферівського товариства. До кінця 2019 року він обіймав посаду директора програми з передових фотонних технологій у Національній лабораторії Лоуренса Лівермора в Каліфорнії, США, де відповідав за розробку найпотужніших лазерних систем у світі, за допомогою яких на Національному об'єкті запалювання (NIF) вперше вдалося запалити фузійне плазмо.
З моменту свого переходу до Німеччини Гефнер приносить свою експертизу, зокрема, як консультант уряду в Консультативній раді злиттів Федерального міністерства досліджень, технологій та космічних польотів (BMFTR), а також як керівник експертної комісії з лазерної термоядерної синтезу. У своїй вступній доповіді він висвітлить можливості Німеччини та Європи на ринку майбутнього лазерної термоядерної синтезу; це також на тлі,
що німецькі фотонні компанії як постачальники технологій та обладнання відіграли значну роль у будівництві NIF.
«Створення потужних ланцюгів постачання в фотоніці є передумовою технічної та економічної здійсненності термоядерної електростанції», - говорить Хефнер. На цьому шляху ще потрібно багато інновацій. Від них, з огляду на очікуваний розмір ринку, відбудуться значні трансформації на сьогоднішньому ринку промислових лазерів, лазерних застосувань та оптики. У формі Spill-Over.
Ефекти можуть вже в короткостроковій перспективі вплинути на ринок фотоніки внаслідок розпочатих досліджень та розробок.
Старт для створення потужних ланцюгів постачання
З утворенням перших консорціумів у програмі «Fusion 2040» розпочато необхідну інноваційну кампанію. Проекти об'єднують учасників з фотоніки, оптики та матеріалознавства та їхні компетенції. При цьому акцент робиться на розробці та виробництві високоефективних діодних лазерів, а також надійних оптичних стекол і кристалів. Вони будуть використовуватися в безперервному режимі комерційних
Електростанції піддаються екстремальним навантаженням. Їхнє завдання полягає в тому, щоб накачувати лазерні імпульси з високою частотою до необхідного енергетичного рівня, щоб перетворити суміш водневих ізотопів дейтерію та тритію в плазму і запалити їх злиття. Для комерційної експлуатації потрібно запалювати від десяти до двадцяти мішеней з цією сумішшю за секунду. Також для цих мішеней – кульок розміром з голівку від голки – і для першої стінки реактора існує потреба в розробці. Остання піддається впливу нейтронів, що вивільняються під час злиття, і теплового випромінювання.
150 мільйонів градусів Цельсія, підданих впливу фузійної плазми. Поля розвитку також відкриваються в області тритієвого циклу та, наскільки це можливо, адитивного виробництва складних компонентів електростанцій. Ці теми адресують консорціуми. Вже сьогодні видно, що вказані ефекти переносу вплинуть на фотоніку та її галузі застосування. Так, одне з проектів спрямоване на значне підвищення продуктивності діодних лазерів при одночасному значному зниженні витрат завдяки повністю автоматизованому виробництву. Якщо консорціум досягне
його цілі, тоді діодні лазери можуть продемонструвати трансформаційний – і частково руйнівний потенціал у різних галузях. Також існує попит на високопродуктивні джерела випромінювання та оптичні скла, які потрібні для термоядерних електростанцій, з інших ринків. І зростає потреба в лазерах, які можуть використовуватися як вторинні джерела для генерації EUV-, нейтронного або рентгенівського випромінювання. Вони є
зокрема для комбінованої рентгенівської та нейтронної візуалізації. Процес має дозволити проводити оптичні та матеріальні аналізи вмісту через стінки закритих бочок і контейнерів. Лазерні джерела променів є ключем до мініатюризації прискорювачів часток, необхідних для цього, і інтеграції їх у компактні пристрої.
Основна фізика працює – початок розробки застосувань
Розвиток лазерної фузії стрімко просувається, принаймні з 5 грудня 2022 року – дня прориву в NIF. На думку Хефнера, зростаюче використання штучного інтелекту ще більше прискорить темпи інновацій. Для оптимізації експериментів у американській випробувальній установці вже використовується ШІ: якщо запалення фузійної плазми наприкінці 2022 року з 3,15 мегаджоуля (МДж) вивільнило 1,5 рази більше енергії лазера, необхідної для запалення, то NIF наприкінці 2024 року повідомила про збільшення до 5,2 МДж – а в травні 2025 року до 8,6 МДж. Таким чином, фузія вивільнила в 4,13 рази більше енергії, ніж лазер сфокусував на мішені. Успішні експерименти підтверджують, що основна фізика працює. Проте установка не призначена для виробництва енергії, а для дослідження плазми. У своїх 192 паралельних променевих каналах спалахові лампи та спеціальні скла підвищують рівень енергії лазерних імпульсів до необхідного рівня. Після кожного запалення система повинна охолоджуватися, оскільки ні оптичні компоненти, ні лазерна система, ні матеріали камери згоряння не призначені для безперервної роботи електростанції.
На шляху до концепцій та технологій, придатних для електростанцій
Щоб зробити технологію злиття корисною в електростанціях, потрібні зовсім нові концепції. Її розробку уряд Німеччини розпочав з програми «Злиття 2040». Участь промисловості в перших тендерах була величезною. Розробка оптичних, фотонних та матеріалознавчих технологій електростанцій вже почалася. До 2030 року буде виділено понад мільярд євро на дослідження з відкритими технологіями: поряд із лазерною інерційною злиттям на порядку денному стоїть магнітне злиття. Консорціуми об'єднують виробників лазерів, оптики, технологій покриття, все більше заснованих на штучному інтелекті виробничих технологій, а також з випробувальних технологій і розробки програмного забезпечення з науковими установами, щоб реалізувати величезний потенціал фотонного ринку майбутнього. Співпраця промисловості та науки поєднує знання, процеси – і ланцюги постачання. Це створює основу для комерційного використання злиття. Як внутрішньо безпечне джерело енергії, воно повинно стати надійним елементом енергетичної системи, відокремленої від вуглецевого циклу, поряд із вітровою та сонячною енергією.
Панель застосування «Лазерне злиття: енергія фотонної промисловості»
Дата: вівторок, 24 червня 2025 року
Час: 10:30 – 12:00
Місце: зал A2.561
Голова: д-р Йохен Штолленверк, Fraunhofer ILT
Панель, зокрема, з:
Проф. Константин Гефнер, голова досліджень та трансферу, Fraunhofer-Gesellschaft
Проф. Томас Тіеманн, старший віце-президент (SVP), Siemens Energy
Д-р Ульріх Штегмюллер, головний технолог (CTO) та старший віце-президент (SVP), ams OSRAM
Д-р Франк Нюрнберг, глобальний керівник відділу продажів оптики, HERAEUS Covantics
Олександр Анцсін, генеральний директор (CEO), Layertec GmbH
Контакт
