美新型激光驅動技術有望改變高能粒子加速器領域游戲規(guī)則

【美通社得克薩斯州奧斯汀2022 年9 月26日電】美國TAU 系統(tǒng)公司（TAU Systems）近日獲得了總計1500 萬美元種子投資，未來將加速推進激光驅動粒子加速器技術的研發(fā)，擬在未來4 至5 年內(nèi)推出工業(yè)用原型加速器。如果TAU系統(tǒng)獲得成功，高能粒子加速器領域的游戲規(guī)則將會發(fā)生改變：目前長達數(shù)英里的加速器會被縮短至數(shù)米，高達數(shù)十億美元的造價會被降至數(shù)百萬美元。

TAU 系統(tǒng)的加速器利用激光技術使電子在三維等離子體波上“沖浪”，并將它們加速到高能。與普通粒子加速器使用的電磁場相比，激光可以產(chǎn)生更強的場，從而使電子能夠在更短的距離內(nèi)達到更高的能量。這意味著可以大幅縮減加速器的尺寸。

激光電子加速器的理論概念于1979 年由加利福尼亞大學洛杉磯分校的研究人員首次提出，但受限于當時的激光技術，無法將這一理論概念轉化為實踐。隨著脈沖激光器技術的不斷進步，這種情況從上世紀九十年代開始發(fā)生變化。

TAU 系統(tǒng)表示，相對于傳統(tǒng)粒子加速器，激光驅動粒子加速器擁有兩點優(yōu)勢：一是場強很大，粒子能在短距離內(nèi)達到高能，因此加速器的結構會更加緊湊，且尺寸大幅縮??；二是激光器不僅能使粒子加速，還能使用同一臺激光器產(chǎn)生各種粒子。在傳統(tǒng)加速器中，一臺設備僅能產(chǎn)生一種粒子，導致傳統(tǒng)加速器的結構非常復雜。

未來，TAU 系統(tǒng)將先在得克薩斯大學奧斯汀分校完成激光器技術的實驗室規(guī)模示范，然后與學術界和企業(yè)界合作伙伴聯(lián)合推進后續(xù)研發(fā)，目標是最快2024 年開始向外出售首批產(chǎn)品，2027 年開始出售全尺寸的X 射線自由電子激光器（XFEL）。工業(yè)用原型加速器可能在4 至5 年內(nèi)準備就緒。

“房間大小”的TAU系統(tǒng)加速器將在許多領域得到應用。在核工業(yè)領域，可用于材料的無損檢測，例如為深焊縫的原位檢測提供外部中子源，或進行材料測試以支持先進反應堆和燃料研發(fā)。這些應用能夠在相對短期內(nèi)實現(xiàn)。

未來，緊湊型激光驅動粒子加速器可能會改變核工業(yè)部分領域的游戲規(guī)則，例如加速器驅動次臨界裝置。在加速器驅動次臨界裝置中，加速器產(chǎn)生的散裂中子將驅動次臨界堆芯中的裂變材料發(fā)生裂變反應。除了進行能量生產(chǎn)，這種裝置還可用于將堆芯的長壽命高放核素嬗變?yōu)槎虊勖怂鼗蚍€(wěn)定核素，或者將堆芯的釷-232增殖為可用于制造核燃料的鈾-233。

核工業(yè)界目前正在開展加速器驅動反應堆系統(tǒng)的相關研究。比利時準備建設名為MYRRHA（全稱是“高科技應用多功能混合動力研究堆”）的加速器驅動系統(tǒng)，最大熱功率為10萬千瓦，以次臨界模式運行，其主要組成包括600 MeV 質子加速器、散裂靶和由混合氧化物（MOX）燃料組成的堆芯，以液態(tài)鉛鉍為冷卻劑。根據(jù)相關機構公布的信息，MYRRHA 加速器的長度將達到400米。如果使用TAU系統(tǒng)的技術，加速器的長度可以大幅縮短。