日本工廠試驗高脈衝鐳射技術以解決清潔核融合能源生產瓶頸

日本目前正在進行的一項工廠試驗，可能解決清潔融合能源領域中最大的瓶頸之一。這一挑戰非常簡單：如何大規模生產下一代超導線材。Gigaphoton 公司專注於製造微型晶片所用的高精度鐳射器，現在該公司已將其一台工業用準分子鐳射器送往日本的一家商業線材製造廠。這一試驗將技術從研究實驗室帶入了活躍的生產線，工程師們已開始測試名為 L300KZ 的系統，旨在探討是否能夠快速、低成本且大批量地生產高性能線材。

超導線材生產挑戰

融合反應堆旨在模仿太陽的過程來產生清潔能源。為此，它們必須將超熱等離子體困住在緊密的磁籠內，以確保其不接觸到容器壁。這些強大的磁鐵依賴於稀土鋇銅氧化物，簡稱 REBCO。作為一種「高溫」超導體，REBCO 在比傳統材料更實用的低溫下失去所有電阻，這使得大量電流能夠通過小線圈而不會浪費能量作為熱量。然而，生產 REBCO 線材的過程仍然極為緩慢且昂貴。

工廠使用脈衝鐳射沉積技術逐層構建材料。在真空腔內，高能紫外鐳射光束的短脈衝擊中目標，材料會蒸發成一團微小顆粒，沉積到金屬帶上形成微薄的薄膜。如果鐳射束稍有搖晃，缺陷將會破壞晶體結構，這樣會使得線材性能降低，電流承載能力迅速下降。這就是半導體製造技術發揮作用的地方。數十年來，Gigaphoton 生產的氪氟（KrF）準分子鐳射器將微觀電路圖案投射到矽晶圓上，這些晶片製造系統不斷運行，從不停止。

L300KZ 系統的應用

L300KZ 將相同的平台應用於薄膜沉積。它在長時間的工作班次中提供高脈衝能量，同時保持穩定的功率輸出。在工廠環境中，這種穩定性可以防止昂貴的停機時間。在試驗期間，工程師將測量鐳射設置的微小變化如何影響薄膜的質量，目標是建立高產量製造的可靠配方。

該項目得到了日本內閣辦公室的支持，屬於其月球計劃研究與開發計劃的第十個目標。這一倡議資助基礎超導技術的研究，這些技術可能適用於多種競爭的融合反應堆設計。該技術的應用也可能超越核能。Gigaphoton 的總裁兼首席執行官榮美辰（Tatsuo Enami）指出，可靠的薄膜沉積在工業上具有廣泛的價值。「除了高溫超導線材，我們還展望在多個先進材料領域的應用，其中包括功能薄膜、先進電子材料和光學材料等，這些領域都使用了脈衝鐳射沉積技術。」

榮美辰說。然而，當前團隊的首要任務是證明融合能源最關鍵的材料能夠從實驗室成功過渡到生產線。

高脈衝鐳射技術的潛在影響

高脈衝鐳射技術的應用可能徹底改變超導線材的生產方式，從而推動清潔融合能源的發展。隨著生產效率的提升，這項技術不僅能降低成本，還能加速超導材料的商業化進程。這對於應對全球能源需求和環境挑戰具有重要意義。此外，該技術的潛在應用範圍廣泛，可能涉及其他先進材料的製造，進一步推動科技進步和產業創新。