在地球上创造高效且可持续能源的一个有前途的选择是氢核聚变。问题?引发核聚变过程需要极高的压力和温度。从技术上讲，这可以使用激光闪光(“激光聚变”或“惯性约束聚变”)来实现。亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫中心 (HZDR) 高级系统理解中心 (CASUS) 的 Tobias Dornheim 博士起草了“激光聚变的 X 射线激光优化”(Röntgenlaser-Optimierung der Laserfusion，ROLF)项目)，现在打算提高对氢气压缩的理论理解。未来可以更有对性地设计和开展激光聚变实验，而不是“反复试验”的方法——这是商业聚变电站的重要先决条件。除了欧盟通过“公正过渡基金”提供的资金外，萨克森自由州也直接为该项目提供资金。

聚变过程所需的极高压力和温度是通过压缩最初非常冷的充满氢同位素氘和氚的胶囊来实现的。在聚变反应过程中，氢在一定时间内进入特定状态——温致密物质(WDM)状态。这个领域的压力和温度大致位于凝聚态物质和热等离子体之间，是多恩海姆的专业领域。 2022年底，这位年轻的研究人员通过竞争程序获得了欧洲研究理事会价值近150万欧元的“启动补助金” 。该项目的工作目前正在进行中：Dornheim 和他的团队正在开发机器学习方法，该方法应该能够对 WDM 进行可靠的理论描述。结构转型项目现在重点关注更实际的挑战。

“激光聚变的一个主要问题是通过激光爆炸实现稳定的压缩，”CASUS 青年研究小组“计算量子多体理论前沿”负责人、ROLF 项目负责人 Dornheim 解释道。 “燃料舱必须尽可能均匀地内爆，即没有任何不稳定性，以确保尽可能多的燃料被熔化并释放相应量的可用能量。为了实现这一目标，我们必须首先加深对 WDM 行为方式的理解。”

例如，在行星和恒星的核心中发现的温暖致密物质，在大型研究设施中进行了实验研究，例如欧洲 XFEL 的亥姆霍兹国际极端场光束线 (HIBEF)和国家点火设施(NIF)在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室。在这些设施中，可以使用强大的激光闪光在几分之一秒内生成波分复用 (WDM)。多恩海姆的团队正在与这两个机构合作。分析激光聚变的一个重要实验方法是 X 射线汤姆逊散射 (XRTS)，这就是新 ROLF 项目的用武之地。

让每个人都能进行 X 射线诊断

对于使用 X 射线散射的诊断，X 射线源指向样本。测量样品中偏转的光子的能量变化并用于得出有关材料特性的结论。到目前为止，测量数据的评估主要基于一系列不受控制的近似值。然而，一年前，CASUS 团队证明，无需使用任何模拟或模型及其所有近似值和假设，即可进行精确的数据评估。

多恩海姆和他的团队正在采用一种基本的数学方法，即拉普拉斯变换。在 ROLF 内，研究人员计划创建一个开源软件包，使所有激光聚变专家都能使用这种评估方法。此外，他们打算进一步开发该方法，以促进使用 XRTS 测量进行无模型、高精度温度测定之外的应用。将来，还应该可以确定其他相关变量，例如波分复用的密度或电离程度。

随后，格尔利茨的团队打算使用新设计的软件来分析现有的 XRTS 数据(例如来自欧洲 XFEL 的数据)，以开发和实验测试新的 X 射线散射测量方法。一旦 XRTS 诊断奠定了坚实的基础，X 射线散射的结果将被纳入激光聚变模拟中。 “我们假设从这些模拟中得出的参数将能够显着更好地压缩胶囊，并迎来全新一代的聚变实验，”多恩海姆说道，并给出了简要的展望。