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則

【美通社得克薩斯州奧斯汀2022 年9 月26日電】美國TAU 系統公司（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，擬在未來4 至5 年內推出工業用原型加速器。如果TAU系統獲得成功，高能粒子加速器領域的游戲規則將會發生改變：目前長達數英里的加速器會被縮短至數米，高達數十億美元的造價會被降至數百萬美元。

TAU 系統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，激光可以產生更強的場，從而使電子能夠在更短的距離內達到更高的能量。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生變化。

TAU 系統表示，相對于傳統粒子加速器，激光驅動粒子加速器擁有兩點優勢：一是場強很大，粒子能在短距離內達到高能，因此加速器的結構會更加緊湊，且尺寸大幅縮?。欢羌す馄鞑粌H能使粒子加速，還能使用同一臺激光器產生各種粒子。在傳統加速器中，一臺設備僅能產生一種粒子，導致傳統加速器的結構非常復雜。

未來，TAU 系統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模示范，然后與學術界和企業界合作伙伴聯合推進后續研發，目標是最快2024 年開始向外出售首批產品，2027 年開始出售全尺寸的X 射線自由電子激光器（XFEL）。工業用原型加速器可能在4 至5 年內準備就緒。

“房間大小”的TAU系統加速器將在許多領域得到應用。在核工業領域，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。這些應用能夠在相對短期內實現。

未來，緊湊型激光驅動粒子加速器可能會改變核工業部分領域的游戲規則，例如加速器驅動次臨界裝置。在加速器驅動次臨界裝置中，加速器產生的散裂中子將驅動次臨界堆芯中的裂變材料發生裂變反應。除了進行能量生產，這種裝置還可用于將堆芯的長壽命高放核素嬗變為短壽命核素或穩定核素，或者將堆芯的釷-232增殖為可用于制造核燃料的鈾-233。

核工業界目前正在開展加速器驅動反應堆系統的相關研究。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，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，以液態鉛鉍為冷卻劑。根據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系統的技術，加速器的長度可以大幅縮短。