Сосредоточьтесь на «сердце» лазерного ядерного синтеза! Как китайские ученые освоили полный процесс производства ключевых компонентов? 

Технология управляемого ядерного синтеза — это будущий энергетический метод, который с нетерпением ожидает все человечество, и который также известен как конечный источник энергии идеала человечества. Однако ни одна страна пока не добилась этого.

В процессе реализации управляемого лазером ядерного синтеза «сердце» мощного лазерного драйвера — крупногабаритное лазерное неодимовое стекло — является незаменимым основным материалом. Его ключевая технология для массового производства называется первым из семи чудес Национального центра зажигания (NIF) Соединенных Штатов. Ху Лили, заместитель директора Академического комитета Шанхайского института оптики и точной механики Китайской академии наук и научный сотрудник Департамента передовых лазерных и оптоэлектронных функциональных материалов, и ее исследовательская группа — исследователи, которые преодолели ключевую технологию для массового производства крупногабаритного лазерного неодимового стекла.

Вступая в 21 век, Ху Лили и ее команда начали исследования и разработки нового лазерного стекла и технологии непрерывной плавки для эффективного массового производства крупногабаритного лазерного неодимового стекла, решив все ключевые технические проблемы, необходимые для массового производства крупногабаритного неодимового стекла. Шанхайский институт оптики и точной механики также стал первым подразделением в мире, которое самостоятельно освоило технологию полного процесса производства компонентов лазерного неодимового стекла.

Буквально в прошлом году она выиграла премию Н. Ф. Мотта, известную награду в области международных аморфных материалов, став первым китайским победителем этой премии с момента ее учреждения. В этом году Ху Лили также выиграла президентскую премию Международной ассоциации стекла.

«Наши исследования в конечном итоге будут применены на практике, поэтому я очень рада начать с фундаментальных исследований в лаборатории, а затем применить результаты исследований на практике», — сказала Ху Лили в недавнем интервью Yicai. Она также рассказала, что команда внедряет ИИ в исследования и разработки нового стекла для продвижения парадигмальных инноваций в исследованиях специального стекла.

Сердце лазерного термоядерного синтеза

По мере усиления глобальной конкуренции в сфере энергетической безопасности значительно ускорилось размещение основных стран мира в области ядерного синтеза, а международная технология термоядерного синтеза стремительно развивалась. В декабре 2022 года Соединенные Штаты успешно достигли большего избытка энергии в реакциях ядерного синтеза. На сегодняшний день Соединенные Штаты добились шести лазерных термоядерных зажиганий.

В 2024 году Министерство науки и технологий, Министерство промышленности и информационных технологий и другие семь департаментов совместно выпустили «Мнения о внедрении по содействию инновациям и развитию будущих отраслей промышленности», указав на необходимость усиления исследований и разработок ключевых базовых технологий для будущей энергетики, представленной ядерным синтезом. Реализация применения термоядерной энергии является конечной целью трехэтапной стратегии моей страны «тепловой реактор-быстрый реактор-термоядерный реактор» для развития ядерной энергетики.

В январе этого года полностью сверхпроводящее устройство токамак EAST моей страны, известное как «искусственное солнце», достигло важных результатов и успешно достигло стационарной работы плазмы в режиме длинного импульса с высокой степенью удержания более 100 миллионов градусов в течение 1066 секунд, в очередной раз установив новый мировой рекорд для работы токамака в режиме высокой степени удержания, дав людям новые ожидания относительно применения термоядерной энергии.

Лазерный привод — это еще один способ достижения ядерного синтеза. Для достижения управляемого лазером ядерного синтеза нам необходимо самоуправляемое лазерное неодимовое стекло. Из-за своих больших размеров и чрезвычайно высоких требований к индексу производительности технология непрерывной плавки крупногабаритного лазерного неодимового стекла бросает вызов ограничениям производства оптического стекла и известна как первое из семи чудес Национального центра зажигания Соединенных Штатов. Соединенные Штаты работали с двумя ведущими компаниями по производству оптического стекла в Германии и Японии в течение шести лет, чтобы добиться непрерывной плавки крупногабаритного лазерного неодимового стекла. Они считают, что эта технология чрезвычайно сложна. После завершения поставок неодимового стекла для двух основных лазерных термоядерных установок в США и Франции они демонтировали линию непрерывной плавки крупногабаритного лазерного неодимового стекла.

Поэтому освоение технологии подготовки шихты крупногабаритного неодимового стекла стало сложной проблемой, которую Ху Лили и другим научным исследователям необходимо решить в срочном порядке.

Ху Лили объяснил, что причина, по которой лазерное неодимовое стекло является «сердцем» лазерного ядерного синтеза, заключается в том, что это особое стекло, содержащее редкоземельные люминесцентные ионы — ионы неодима, которые могут генерировать лазеры или усиливать лазерную энергию при возбуждении «светом накачки» и являются «сердцем» лазера. Производительность лазерного неодимового стекла напрямую определяет выходную энергию лазерного устройства. Это рабочая среда лазера с самой высокой выходной энергией, известной человечеству. В большом научном лазерном ядерном термоядерном устройстве, известном как «искусственное маленькое солнце», лазерное неодимовое стекло всегда играло незаменимую роль.

С момента создания Шанхайского института оптики и точной механики Китайской академии наук в 1964 году и до конца 20-го века команда по лазерному неодимовому стеклу, представленная академиками Гань Фуси и Цзян Чжунхуном, уже более 30 лет делает инновации с нуля в исследовании лазерного неодимового стекла. Они последовательно разработали силикатное лазерное неодимовое стекло, фосфатное лазерное неодимовое стекло N21 и N31 и предоставили основные рабочие материалы для серии устройств «Шэнгуань» моей страны.

С 2005 года Ху Лили и ее команда работали над четырьмя ключевыми основными технологиями непрерывной плавки, прецизионного отжига, кромкования и обнаружения в течение почти десяти лет на основе фундаментальных исследований. Самой сложной из них является технология непрерывной плавки крупногабаритного лазерного неодимового стекла. В 2012 году совместными усилиями всех мы наконец преодолели трудности в процессе непрерывной плавки, спроектировали и создали пилотную производственную линию для непрерывной плавки лазерного неодимового стекла, завершили интеграцию ключевых технологий для непрерывной плавки крупногабаритного лазерного неодимового стекла и, наконец, реализовали интеграцию и соединение ключевых технологий для всей цепочки процесса непрерывной плавки, технологии испытаний, процесса кромкования и прецизионного отжига крупногабаритного лазерного неодимового стекла. Соответствующие достижения получили «Специальную премию Шанхайского технологического изобретения» в 2016 году, «Вторую национальную премию технологического изобретения» в 2017 году и «Премию за выдающиеся научные и технологические достижения Китайской академии наук» в 2022 году.

«Мы действительно столкнулись со множеством проблем в процессе исследования, особенно по мере того, как эксперимент продвигался, одна проблема за другой выявлялась, и другого пути не было. Мы могли только сесть и проверить литературу и начать с самых базовых теорий. Например, какие изменения претерпит поведение потока расплавленного стекла в процессе формования стекла. Кроме того, все часто выносят данные испытаний для обсуждения и рассуждений, и эти неудачные данные являются матерью нашего успеха», — сказал Ху Лили журналистам.

Решение потребностей промышленности

В дополнение к лазерному неодимовому стеклу Ху Лили также совершила ключевые прорывы в области кварцевого волокна с большим полем мод, легированного иттербием, высокопроизводительного кварцевого волокна, легированного неодимом, и высокочистого кварцевого стекла.

Если взять в качестве примера мощное лазерное волокно, то, поскольку волоконные лазеры используют оптическое волокно в качестве лазерной среды, они обладают преимуществами идеального качества луча, сверхвысокой эффективности преобразования, отсутствия необходимости в обслуживании, высокой стабильности и малого размера. Их область применения очень широка, включая лазерную волоконную связь, лазерную космическую связь на большие расстояния, промышленное судостроение и хирургические операции. С начала 21-го века волоконные лазеры постепенно заняли половину рынка лазеров, но некоторые высокомощные лазерные волоконные продукты трудно получить на международном рынке. С 2011 года Ху Лили и ее команда сосредоточились на трех сложных вопросах, влияющих на эффективность лазера, стабильность мощности и долгосрочную надежность высокомощных лазерных волокон. За 8 лет они стали лидерами в Китае, освоив ключевую технологию массового изготовления 10 000-ваттных волокон с большим полем мод, легированных иттербием.

Как основная часть технологических инноваций, предприятия более чувствительны к спросу рынка.

«В 2018 году к нам обратилась высокотехнологичная компания и спросила, можем ли мы помочь им изготовить высокомощные лазерные волокна, поскольку они не могли закупать продукцию на международном уровне. В то время мы также проводили исследования в этой области, поэтому команда тесно общалась с компанией, неоднократно итерировала продукт и решала их реальные потребности», — сказал Ху Лили.

Технологический прорыв в области 10 000-ваттного класса иттербиевого лазерного волокна позволил оснастить высокомощные волоконные лазеры моей страны отечественными «ядрами», что снизило стоимость производства высокомощных лазеров. С 2019 года команда достигла прямых продаж более 200 миллионов юаней и косвенных экономических выгод более 1,8 миллиарда юаней; кроме того, она также удовлетворила насущные потребности в высокомощных волоконных лазерах в космической среде.

Что касается будущего плана исследований, у Ху Лили, которая работает в отрасли уже 38 лет, также есть новые идеи.

По ее мнению, с развитием ИИ необходимо срочно изменить исследовательскую парадигму стекла. «Мы внедряем ИИ в исследования и разработки нового стекла, а также создаем исследовательскую платформу взаимосвязи структуры стекла и активности, охватывающую характеристику производительности структуры стекла, моделирование молекулярной динамики и моделирование с помощью ИИ». Она сообщила, что надеется создать специальную платформу для изучения взаимосвязи структуры и активности стеклянных материалов, которая объединит высокопроизводительную подготовку, моделирование с использованием искусственного интеллекта и проверку структурных характеристик в период «15-й пятилетки».