До 2029 року федеральний уряд інвестує понад 2 млрд. євро в дослідження в галузі термоядерної енергії. Інститут Фраунгофера з лазерної техніки ILT в Аахені є одним із перших учасників. У рамках спільних дослідницьких проектів він досліджує та розробляє разом з партнерами з промисловості та науки рішення для майбутніх термоядерних електростанцій. Йдеться про створення потужних ланцюгів постачання, а також про розробку процесів для автоматизованого масового виробництва. Інститут міжнародно співпрацює, зокрема, тісно з Національною лабораторією Лоуренса Лівермора. Його Національний центр запалювання неодноразово зміг запалити термоядерну плазму за допомогою найбільшого у світі лазера, при цьому постійно досягаючи зростаючих енергетичних надлишків. У розробці технології електростанцій проявляються ефекти spillover, які можуть надати фотоніці доступ до нових ринків застосування.
З грудня 2022 року дослідження в галузі термоядерного синтезу отримали світовий імпульс. Дослідникам Лоренс Ліверморської національної лабораторії (LLNL) вдалося досягти історичного прориву в Національному центрі ініціації (NIF) у Каліфорнії. Вперше термоядерний синтез, запалений за допомогою високоенергетичного лазера, вивільнив більше енергії, ніж лазер зосередив на пеллеті з паливом для синтезу розміром з голівку від голки. Відтоді LLNL неодноразово повторювало експеримент з зростаючим енергетичним надлишком. Таким чином, стало зрозуміло: основна фізика працює.
Візія кліматично нейтрального, майже безмежного джерела енергії - термоядерного синтезу - стала більш реалістичною, ніж будь-коли. Крім того, установки IFE є intrinsically безпечними, оскільки плазма запалюється лише під величезним тиском і при температурах близько 150 млн °C. Без постачання пального та імпульсів запалювання термоядерний синтез відразу ж гасне. Адже лише за цих екстремальних умов ядра водневих ізотопів дейтерію та тритію здатні подолати кулонівський бар'єр і з'єднатися. Для безперервної роботи електростанції необхідно стиснути 10-15 пелет на секунду за допомогою імпульсів високої енергії лазера, перетворити їх на плазму та запалити. Таким чином, підтримуючи процес, термоядерний синтез виробляє базову енергію в великих масштабах: лише 1 кг термоядерного пального містить стільки ж енергії, скільки 22,500 т бурого вугілля, що відповідає вантажу 6-кілометрового вантажного потяга. У всьому Всесвіті не відомо жодної речовини з подібною енергетичною щільністю.
Німецький уряд інвестує понад 2 млрд євро в дослідження ядерного синтезу.
Як кліматично нейтральне, базове джерело енергії, термоядерний синтез може стати важливим доповненням майбутніх енергетичних систем, в яких більш дешевий, але нестабільний вітровий та сонячний струм покриває більшу частину попиту. Згідно з прогнозами Міжнародного енергетичного агентства (IEA), споживання електроенергії до середини століття в усьому світі зросте в 2,5 рази до 70 петават-годин (ПВт·год) на рік. Щоб покрити десяту частину цього, знадобиться майже 1.000 термоядерних електростанцій. Тут намічається ринок майбутнього для фотоніки, який значно перевищує її сьогоднішній обсяг продажів.
Уряди та приватні інвестори усвідомили цю можливість і спрямовують великі суми державних грантів та венчурного капіталу в цю перспективну галузь. Наразі йдеться не лише про розробку базових технологій для таких електростанцій, а й про створення потужних ланцюгів постачання та розробку процесів для масового високоефективного виробництва компонентів електростанцій. Тут і починається прикладне дослідження Товариства Фраунгофера.
Ще на шляху до комерційних електростанцій існують величезні технологічні та оперативні виклики. До цього додається, що існує ще один перспективний підхід - магнітне злиття (MFE). Уряд Німеччини підтримує обидва підходи в програмі "Злиття 2040". Бюджет програми нещодавно було підвищено головним міністерством з досліджень, технологій та космічних досліджень (BMFTR) до понад 2 млрд євро до 2029 року. Для фотоніки це хороша новина: лазери високої енергії та високої потужності, оптика, сенсори та надгнучкі лазерні технології виробництва вважаються не лише ключовими технологіями для IFE-електростанцій, але й для розробки, будівництва та експлуатації складних реакторів токамаків та стелараторів для магнітного злиття.
США: експериментальна установка лише ескіз – шлях до термоядерної електростанції ще далекий
Fraunhofer ILT є одним із піонерів у дослідженнях злиття. Разом з партнерами з промисловості та науки (більше 20 інститутів Товариства Фраунгофера активно працюють у цій галузі) воно розробляє технологічні основи для термоядерних електростанцій у національних та міжнародних проектах. Ці консорціуми спільних досліджень є осередками необхідних ланцюгів постачання. У проектах йдеться про реалістичне моделювання та симуляцію компонентів, підсистем до загальних електростанцій, а також про розробку надійних оптик і лазерів-драйверів для тих високоенергетичних лазерів, які в електростанціях IFE майбутнього повинні запалювати термоядерну плазму з частотою 15 Гц. Для досягнення такої частоти підходять лише складні діодні насичувані твердотільні лазери (DPSSL).
Лазер випробувальної установки в Каліфорнії базується на 192 променях, в яких скляні пластини, що накачуються спалаховими лампами, посилюють лазерні імпульси. При цьому їхні фотони взаємодіють з електронами в кристалічних скляних пластинах. Енергетичний рівень початкового імпульсу в один наноджуль при цьому зростає так, ніби звичайний удар рукою акустично посилюється до рівня сильного землетрусу. Це накачування відбувається в інфрачервоному діапазоні хвиль.
Пульс, розподілений на 192 промені, потім перетворюється на зелені та сині довжини хвиль – і стає ультракороткохвильовим рентгенівським випромінюванням, коли всі 192 промені з більш ніж 2 мегаджулями комбінованої енергії пульсу синхронно потрапляють на ціль. Запалювальний пульс досягає за кілька наносекунд такої ж потужності, як вся електромережа США. Відповідно, потрібні величезні конденсатори для зберігання необхідної електричної енергії. А після пострілу система повинна охолоджуватися протягом кількох годин. Для високоефективних лазерів майбутніх електростанцій це немислимо. Вони повинні забезпечувати високу ефективність до 15 пострілів на секунду. Коефіцієнт перетворення електричної енергії в оптичну повинен зрости в 10-15 разів у порівнянні з NIF. Передумови: каліфорнійський експериментальний комплекс ніколи не був призначений для виробництва енергії, а був спроектований для дослідження плазми.
Розробка проектів підтримки фотонної основи для термоядерних електростанцій
DPSSL є ключовими компонентами для IFE-електростанцій. Замість спалахових ламп вони накачуються ефективними лазерними діодами високої потужності. У рамках фінансованого проекту BMFTR DioHELIOS Fraunhofer ILT бере участь у широкому консорціумі, який займається розробкою масово необхідних лазерних діодів високої потужності. Окрім моделювання діодів, йдеться про їх інтеграцію в активно охолоджувані модулі з колімуючими лінзами до проектування високоавтоматизованих виробничих ліній.
Цілі амбіційні: Пульсова енергія, яку можна отримати за допомогою діодних насосних модулів, повинна зрости в 50 разів при покращеній ефективності та більш однорідних, стабільних спектральних характеристиках. Крім того, необхідно знизити витрати на діодні лазерні модулі до менш ніж одного цента за ват потужності шляхом повністю автоматизованого масового виробництва. Це буде менше ніж одна сорокова частина їхніх сьогоднішніх витрат. Але це не повинно відбуватися за рахунок якості: адже сильно навантажене обладнання повинно працювати в енергетичних установках протягом 30 років. Масштаб виклику також проявляється в тому, що сьогоднішнє світове річне виробництво високопродуктивних діодів навіть не покриває потреби одного єдиного IFE-електростанції. Разом зі своїми партнерами в консорціумі DioHELIOS Fraunhofer ILT вже шукає конкретні рішення для цього.
DioHELIOS є однією з заходів у програмі «Fusion 2040». У тісно пов'язаному проекті PriFUSIO консорціум на чолі з Fraunhofer ILT працює над оптичними ключовими компонентами високоенергетичних лазерів для термоядерних електростанцій. «Мова йде про їх систематичний подальший розвиток і валідацію», пояснює доктор Сара Кляйн, координаторка досліджень у сфері термоядерної енергетики в Fraunhofer-Gesellschaft. Проект присвячений новим методам виготовлення, покриття та контролю якості лінз, оптичних решіток, а також моделюванню та розробці матеріалів підсилювальних плит, які в поєднанні з лазерними діодами високої потужності повинні посилювати імпульси запалювання до мегаджоульного діапазону. «Усі оптичні компоненти повинні витримувати роботу електростанції 24/7. Для цього, зокрема, необхідно значно підвищити їх межі руйнування», говорить вона. Крім того, потрібні нові підходи для економічного виготовлення великих оптик, які спочатку потрібні лише в невеликій кількості. Fraunhofer ILT також переслідує багатообіцяючий підхід: лазерні процеси для формування, полірування та доопрацювання. У порівнянні з механічними методами, інструмент світла спочатку вводить менше мікротріщин і дефектів у оптичні компоненти, що підвищує їхню міцність і термін служби.
У проектах «IFE-Targetry-HUB» та «Durable» команди Fraunhofer ILT також активно беруть участь у розробці ключових технологій для термоядерних електростанцій. Проект «Durable» займається моделюванням та розробкою процесів для адитивного виробництва стінових компонентів з плазмової сторони. Під час роботи електростанції 24/7 на стіни постійно обрушуються нейтрони, що вивільняються внаслідок термоядерної реакції. Їх кінетична енергія передається стінам, де вона перетворюється на охолоджувальне середовище, яке випаровується і приводить в дію турбіну. Також потрібні спеціальні стінові елементи, в яких нейтрони використовуються для отримання водневого ізотопу тритію з літію. «Для формування високотермостійких, надзвичайно міцних вольфрамових сплавів стін підходять лазерні адитивні виробничі процеси», - пояснює Кляйн. Fraunhofer ILT винайшов металевий 3D-друк, запатентував його і з тих пір систематично вдосконалює. Штучний інтелект відіграє все важливішу роль, як у розробленому та запатентованому в інституті екстремальному високошвидкісному лазерному наплавленні EHLA. «Обидва адитивні процеси мають великий потенціал для виробництва компонентів електростанцій», - говорить вона.
Не менш важливими є лазерні підтримувані процеси для виготовлення паливних цілей. Коли термоядерні електростанції працюють з частотою 15 Гц, запалюючи до 1,3 мільйона разів на день, витрати на цілі повинні знизитися на порядок до центів. Цю задачу також вирішують дослідники Fraunhofer ILT у проекті "IFE-Targetry-HUB". У термоядерних дослідженнях зібрано багато ниток, які інститут збирав і продовжував протягом останніх десятиліть. Тепер ця попередня робота приносить плоди. "Наші проекти знаходяться на типовій точці роботи Fraunhofer: мова йде про те, щоб переосмислити технології та перевести їх з досліджень у конкретне промислове застосування", - говорить координатор термоядерних досліджень.
Зрозуміти високоенергетичні лазери з основ.
Очікується, що високоенергетичні лазери майбутніх ІФЕ-електростанцій матимуть багато сотень паралельних променевих шляхів. Кожен з них буде підживлювати тисячі лазерних діодних барів, які нагнітатимуть посилювальні пластини зі спеціального скла або кристалів, щоб підвищити імпульси до енергетичного рівня, необхідного для запалювання. Такі складні лазери не можуть бути реалізовані за допомогою методу проб і помилок. Натомість потрібні обчислювальні методи, щоб спочатку віртуально протестувати та оптимізувати їх перед виготовленням прототипів. Віртуальні прототипи компонентів, підсистем і, зрештою, повних високоенергетичних лазерів дозволяють дослідникам вивчати їх функції та реалістично моделювати їх роботу в віртуалізованому середовищі. Інститут Фраунгофера ILT за останні роки реалізував високорозвинені моделі лазерного моделювання для дизайну, розробки та промислового масштабування DPSSL. Зараз він піддає їх перевірці, порівнюючи в проекті «ICONIC-FL» з подібними рішеннями LLNL.
Американський інститут спеціалізується на моделюванні та будівництві лазерів з високою енергією, а Fraunhofer ILT - на DPSSL з високими середніми потужностями. Отже, обидва партнери вносять комплементарні знання. "У цьому проекті не йдеться про об'єднання наших моделей симуляції чи обмін коду", - підкреслює Йоганнес Вайтенберг, керівник проекту з боку Fraunhofer ILT. Скоріше, обидва інститути хочуть навчитися один у одного та подвоїти перевірку своїх результатів симуляції з оглядом на наступне покоління DPSSL для термоядерних електростанцій, піддаючи дизайн лазера незалежній крос-валідації. Для цього вони будуть моделювати підсилювальні стадії лазерів з високою енергією зі своїми рішеннями. При цьому вони хочуть зрозуміти складні фізичні ефекти: "У безперервному режимі роботи нагрівання, заломлення та аберації можуть спотворювати лазерний промінь. Тут навіть найменші ефекти мають значення і можуть призводити до втрат ефективності або навіть до прямих пошкоджень оптики", - говорить Вайтенберг. Вони хочуть точно зрозуміти, що відбувається в кожній підсилювальній пластині, щоб згодом змогти моделювати складні пластинчасті стеки.
Врешті-решт, сучасні дослідження в галузі термоядерного синтезу спрямовані на те, щоб за допомогою міждисциплінарних підходів досягти технологічних стрибків. Приклад NIF показує, що можливо: за допомогою наукових і інженерних знань, а також оптимізації процесів за допомогою симуляцій і штучного інтелекту вдалося збільшити енергетичний надлишок синтезу з початкового 1,5 разу до 4 разів від енергії, що вводиться лазером. Тепер цей фактор потрібно підвищити за допомогою спеціально оптимізованих для IFE-електростанцій високоефективних лазерів до значення від 50 до 100.
Високоенергетичні лазери цікаві не лише для термоядерного синтезу.
Великий проект термоядерної електростанції потребує тісної співпраці між промисловістю та наукою. Державні програми фінансування можуть створити технологічні основи, але в довгостроковій перспективі компанії повинні інвестувати та будувати ланцюги постачання. Для інновацій це означає, що вони повинні бути спрямовані не лише на віддалену мету термоядерної електростанції, а й на інші ринки застосування. Щоб, наприклад, створити необхідну виробничу потужність для високоефективних лазерних діодів і знизити їх витрати завдяки ефекту масштабу до необхідного рівня, потрібно розробити нові застосування. «Наш інститут готовий підтримати промисловість з накопиченим за понад 40 років досвідом», - пояснює Кляйн.
Перші ефекти «випадання» вже проявляються. Так, з проекту PriFUSIO виникла нова генерація синтетичних кварцових плит, які, крім термоядерної енергетики, також цікаві для інших застосувань високоефективних лазерів у ближньому інфрачервоному діапазоні – включаючи лазерне різання та зварювання. Виробник Heraeus Covantics оптимізував процес виробництва як з точки зору продуктивності, так і витрат. Крім того, він пропонує вищу гнучкість у розмірах плит. Новий матеріал характеризується дуже низькою абсорбцією та високою щільністю потужності.
Також для високоефективних лазерів існує потреба поза термоядерною енергетикою: як драйвери для вторинних джерел вони повинні прокладати нові шляхи для генерації екстремального ультрафіолетового (EUV), рентгенівського або нейтронного випромінювання. До перспективних застосувань належить комбіноване рентгенівське та нейтронне зображення, яке Fraunhofer ILT наразі розробляє в рамках спільного проекту PLANET. Воно повинно дозволити оптичний та матеріальний аналіз вмісту закритих бочок і контейнерів через їх стінки. Лазерні джерела променів є ключем до мініатюризації прискорювачів частинок, необхідних для цього, та інтеграції їх у компактні, можливо, в майбутньому навіть мобільні пристрої. «Багато з того, над чим ми працюємо в термоядерній енергетиці, є актуальним для багатьох ринків. Ми працюємо не лише над електростанцією!», - підкреслює Кляйн. Термоядерна енергетика є великою можливістю для лазерної та оптичної промисловості в Німеччині та Європі. Якщо комерційний успіх лазерної термоядерної енергетики затримається довше, ніж очікувалося, галузь зможе відкрити нові ринки завдяки технологічним стрибкам, досягнутим у термоядерній науці. Якщо це буде успішно, то одна єдина електростанція потребуватиме річного обсягу виробництва високоефективних лазерних діодів, а також десятки тисяч великих оптик. Навіть при консервативних оцінках обсяг сьогоднішнього ринку лазерів різко зросте.
Термоядерна енергетика на AKL'26
З огляду на такі перспективи, AKL – Міжнародний конгрес лазерних технологій (22 – 24 квітня 2026 року в Аахені) в різних сесіях висвітлить економічний та технологічний потенціал ринку майбутнього термоядерної енергетики. У сесії Герарда Херцигера 23 квітня 2026 року професор Константин Хефнер у своїй доповіді «Лазерна енергія без обмежень: драйвери для термоядерної енергії та промислових екосистем» надасть актуальні відомості про стан термоядерної науки та статус необхідних ланцюгів постачання. Голова відділу досліджень та трансферу Fraunhofer-Gesellschaft є визнаним експертом у галузі термоядерної енергетики та відповідав за розробку високоефективних лазерів у LLNL, перш ніж під час свого перебування на посаді керівника Fraunhofer ILT та як консультант уряду Німеччини дав важливі імпульси для термоядерної науки в Німеччині. Він також братиме участь у дискусії на панелі сесії.
Після цього сесія 4, Лазерні джерела променів II, надасть поглиблені професійні відомості про розвиток високоефективних лазерів для термоядерної енергетики та вторинних джерел. Також у сесії 7 – Лазерні джерела променів III 24 квітня, яка стосується ультракоротких імпульсних лазерів, буде розглянуто виступ, очолюваний доктором Сарою Кляйн, «Діодні лазери» – напівпровідникові лазери для термоядерних електростанцій майбутнього.
Контакт:
