美新型激光驱动技术有望改变高能粒子加速器领域游戏规则

【美通社得克萨斯州奥斯汀2022 年9 月26日电】美国TAU 系统公司（TAU Systems）近日获得了总计1500 万美元种子投资，未来将加速推进激光驱动粒子加速器技术的研发，拟在未来4 至5 年内推出工业用原型加速器。如果TAU系统获得成功，高能粒子加速器领域的游戏规则将会发生改变：目前长达数英里的加速器会被缩短至数米，高达数十亿美元的造价会被降至数百万美元。

TAU 系统的加速器利用激光技术使电子在三维等离子体波上“冲浪”，并将它们加速到高能。与普通粒子加速器使用的电磁场相比，激光可以产生更强的场，从而使电子能够在更短的距离内达到更高的能量。这意味着可以大幅缩减加速器的尺寸。

激光电子加速器的理论概念于1979 年由加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员首次提出，但受限于当时的激光技术，无法将这一理论概念转化为实践。随着脉冲激光器技术的不断进步，这种情况从上世纪九十年代开始发生变化。

TAU 系统表示，相对于传统粒子加速器，激光驱动粒子加速器拥有两点优势：一是场强很大，粒子能在短距离内达到高能，因此加速器的结构会更加紧凑，且尺寸大幅缩小；二是激光器不仅能使粒子加速，还能使用同一台激光器产生各种粒子。在传统加速器中，一台设备仅能产生一种粒子，导致传统加速器的结构非常复杂。

未来，TAU 系统将先在得克萨斯大学奥斯汀分校完成激光器技术的实验室规模示范，然后与学术界和企业界合作伙伴联合推进后续研发，目标是最快2024 年开始向外出售首批产品，2027 年开始出售全尺寸的X 射线自由电子激光器（XFEL）。工业用原型加速器可能在4 至5 年内准备就绪。

“房间大小”的TAU系统加速器将在许多领域得到应用。在核工业领域，可用于材料的无损检测，例如为深焊缝的原位检测提供外部中子源，或进行材料测试以支持先进反应堆和燃料研发。这些应用能够在相对短期内实现。

未来，紧凑型激光驱动粒子加速器可能会改变核工业部分领域的游戏规则，例如加速器驱动次临界装置。在加速器驱动次临界装置中，加速器产生的散裂中子将驱动次临界堆芯中的裂变材料发生裂变反应。除了进行能量生产，这种装置还可用于将堆芯的长寿命高放核素嬗变为短寿命核素或稳定核素，或者将堆芯的钍-232增殖为可用于制造核燃料的铀-233。

核工业界目前正在开展加速器驱动反应堆系统的相关研究。比利时准备建设名为MYRRHA（全称是“高科技应用多功能混合动力研究堆”）的加速器驱动系统，最大热功率为10万千瓦，以次临界模式运行，其主要组成包括600 MeV 质子加速器、散裂靶和由混合氧化物（MOX）燃料组成的堆芯，以液态铅铋为冷却剂。根据相关机构公布的信息，MYRRHA 加速器的长度将达到400米。如果使用TAU系统的技术，加速器的长度可以大幅缩短。