核聚变能源还需要 30 年的时间，而且永远都是。
对于惯性聚变能（IFE）来说，这句话无疑是真的。在实现之前，IFE 必须克服诸多障碍。比如目前的 IFE 靶制备技术无法满足预期的需求和成本要求。为了解决这个问题，研究人员设计了一种新的微流体技术，该方法在满足 IFE 靶设计严格几何要求的同时，还能解决生产瓶颈问题。
应对 IFE 靶制备挑战
为了产生 IFE，惯性约束聚变（ICF）使用多个强大的激光器来加热靶壳。这些靶壳体积小（直径约 2 mm）、呈同心结构且球形度高。靶壳中含有冷冻氢同位素形式的核燃料，当这些燃料被压缩并加热到一定温度（约 100,000,000 ℃）时，就会发生核聚变。
典型的聚变反应堆每天消耗约 100 万个这样的靶丸。因此，要实现这种核聚变商业化，需要满足两个条件：
- 靶壳的成本必须控制在每个 0.20 美元左右
- 生产过程必须足够快才能满足需求
同时，靶丸需要保持一定的规格。卡迪夫大学 (Cardiff University) 工程学院 研究团队成员 Barrow 教授表示，IFE 靶丸“不仅要求球形度和同心度大于 99.99%，表面粗糙度小于 50 nm，还需要具有内反射涂层和光散射性能，并且要非常坚固耐用，因为它们将以 1000 m/s 的速度从气动枪中发射，并装有温度约为 18 K 的冷冻核燃料！”
可用于 ICF 的微型靶丸。图片属于公有领域，通过 Wikimedia Commons 共享。
使用目前的靶制备技术是不可能实现上述 IFE 的生产目标，因为这些技术是以定制的方式制靶，而且价格昂贵——每个靶的价格高达数千美元。这个问题对 IFE 的生产提出了严峻的挑战。
卡迪夫大学的研究团队旨在解决这一问题。他们可能的解决方案是什么？一种利用多相液滴微流体技术生成单分散双乳液液滴的连续流动反应器方法。可将这些液滴用作模板，制造出 IFE 靶所需的壳。接下来，让我们了解研究人员的制备过程。
分析 IFE 靶制备新工艺的三个步骤
IFE 靶壳的制备新工艺有三个步骤：
- 形成双乳液液滴
- 集中双乳液液滴
- 超快速壳相聚合
研究人员通过实验测试和仿真的方法，对上述每个步骤进行了研究和优化。
步骤 1：形成双乳液液滴
研究人员利用一种新型蝙蝠翼结流体连接装置，形成了单分散双乳液液滴。他们通过两相层流模拟研究了液滴形成过程的流动模式。
该研究发现了一种卫星液滴清除机制。这些液滴会在蝙蝠翼形连接装置的“静止区”短暂停留，从而能够与后续的分散相液滴合并。这种机制提高了双乳液液滴的均匀性。
这一步骤结束后，双乳液流垂直上升通过光流体反应器。该反应器装配备了多个紫外线 LED，可对靶壳进行精确光固化。
步骤 2：集中双乳液液滴
该工艺的第二个阶段涉及将液滴集中在动态流体中。在这个步骤中，研究人员使用 COMSOL Multiphysics® 软件评估液滴在流动载流体中的位置和形状。他们的目标是优化双乳液液滴的同心度和球形度，以在靶壳聚合阶段（该阶段会固定液滴的几何形状）之前满足 IFE 靶的几何要求。
研究团队在重力和溶剂密度不匹配的情况下，通过调整流动参数，实现了液滴在垂直上升的流动中的集中。研究人员利用微流体模块对流动条件进行了优化，确定了生成同心球形液滴所需的关键输入参数。
利用仿真技术对不同流动条件下的双乳液液滴进行形状优化研究。图片由 Jin Li 提供。
研究人员使用液滴检测装置（由红色激光发射器、光电晶体管和微处理器组成）评估双乳液液滴形成时的形状。使用该工具可以发现，当液滴垂直上升通过水平检测光束时，非同心液滴由于其形态会产生 “V” 形信号。另一方面，同心液滴由于其两极区域的等透镜效应，会产生 “W” 形信号。
研究团队得出结论，由于双乳液液滴的形状会导致不同的光电晶体管检测信号，因此可以利用这些信号来确定液滴的形状。例如，“W” 形光电晶体管信号表明液滴具有足够的同心度，可用于光固化工艺。使用 COMSOL Multiphysics® 软件的附加产品射线光学模块进行的模拟验证了这些发现。
步骤 3：超快速壳相聚合
在第三步中，前几个阶段生成的液滴被逐个固化，用作 IFE 靶壳的模板。这种固化是通过一个光流体反应器实现的，该反应器通过含编码处理器的紫外线 LED 自动执行。通过模拟，团队对反应器的几何形状进行了优化，以确保在流体存在的情况下，反应器中心能产生均匀的紫外线照射。均匀的辐照应能使反应器在液滴的壳层进行均匀的光聚合，帮助形成球形和同心壳。这些壳的质量取决于光固化的时间、液滴移动、流动条件和均匀性。
用于固化聚合物壳的光流体反应器。图中可以看到每个 LED 的散热片。图片由 Jin Li 提供。
常见的光固化过程如下：
- 最初检测到液滴后，会有一个延时 (d)，以使液滴移动到紫外线照射区域的中间位置
- 发光二极管在曝光持续时间 T（ms）内暂时启动，并固化液滴
在目前的设计中，研究人员将 T 固定在 70 ms。同时，他们发现，可通过改变时间间隔 d 低至 1 ms，使靶丸壳呈现不同的球形。例如，在输入流量一定的情况下，当 d 为 163 ms 时，固化后的靶丸壳近似于同心球形。然而，当 d 值介于 160 ~ 162 ms 和 164 ~ 167 ms 之间时，靶丸壳呈珍珠状。由于反应器内部结构对紫外光的细化作用，其他 d 值甚至不会产生连续的壳。导致形状变化的原因可能是紫外光能量吸收不均匀，从而使壳内部的光聚合不均匀。
通过仿真，研究人员还能评估液滴移动对最终壳质量的影响。壳层表面的紫外线总量因液滴的精确位置而异。例如在壳相，当液滴位于反应器的光学聚焦点上时，光的能量分布相对均匀。当液滴运动时，光量会发生变化。当液滴距离反应器的光学焦点较远时，光能分布会更加分散，从而导致壳层中出现更多的高能光点。
光能的差异可能会改变光聚合速率，并导致固化聚合物层内的收缩和应力变化，进而导致固化壳的球形和同心度降低。为了解决这个问题，研究团队需要创建一种均匀的固化工艺，以均匀地输送紫外线。在使用连续固化单个液滴的工艺时，可以通过缩短光源的紫外线照射时间来实现紫外线的均匀照射。
新技术推动聚变能发展
该团队的另一位研究人员 Jin Li 博士说，这种新技术“展示了一种有望扩大这种IFE靶制备规模的可能途径”。新技术有望提高 IFE 靶的生产率，以满足未来的需求。他还指出，由于单分散液滴在流动中是以相同的方式单独处理的，因此所得到的即用聚合物壳接近目标规格，“壳的成品率接近100%，生产频率高达 15 Hz，平均壳同心度和壳球形度均达到 99.41%”。
Barrow 指出，新技术可以使他们以接近目标价格（每个 0.20 美元）的成本生产 IFE 壳。该工艺也是自动化的，具有高度的可重复性。此外，通过改变流动条件，可以生产出不同大小的双乳液液滴。这意味着研究人员可以利用这项技术制造出不同尺寸的壳，来满足各种 ICF 反应器的要求。
Barrow 还提到，在能源生产领域，“聚变能可以拯救地球，但缺点是它仍然极其复杂且集中化”。通过模拟研究，可以解决这些难题，为实现聚变能源铺平道路。
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