慣性聚變驅動器

慣性約束聚變發電站所需要的驅動器必須具有下面幾個特點：第一，它必須具備能將靶丸點燃並使靶上的能量增益達到足夠高的數值；第二，具有好的可靠性和重複性；第三，好的經濟性.即驅動器的成本必須儘量降低。

基本介紹

• 中文名：慣性聚變驅動器
• 外文名：Inertial fusion driver
• 套用學科：能源工程
• 範疇：工程技術

慣性約束聚變驅動器的基本要求

慣性約束聚變發電站所需要的驅動器必須具有下面幾個特點：第一，它必須具備能將靶丸點燃並使靶上的能量增益達到足夠高的數值；第二，具有好的可靠性和重複性；第三，好的經濟性.即驅動器的成本必須儘量降低。其具體的要求可描述如下：

（1）強度和可聚焦性：驅動脈衝的時間寬度為幾個毫微秒，靶上的功率密度應達到（），束流可以被聚焦到較小的斑點。對於雷射束斑點直徑約為mm量級；對於離子束，直徑約為cm量級。

（2）能量：驅動器的輸出能量對於高增益靶要求達到（3~10）MJ，確切的數值決定於驅動脈衝和靶的能量耦合效率，總的脈衝長度可以是十幾ns，但是峰值功率脈衝部分的寬度只有幾個ns，峰值功率和最小功率之比要大於30倍。

（3）脈衝波形控制：希望脈衝強度的增加是逐漸的從小增加到峰值，總脈衝寬度可能是幾十，脈衝峰值部分只有幾個，峰值功率和最小功率之比要大於30倍，即脈衝振幅隨時間變化的動態範圍要大於30倍。

（4）空間控制：在燃料靶丸上驅動力的空間均勻性是一個非常重要的問題，在整個靶丸的表面上輻照強度的變化必須小於（1~2）%。對於直接驅動，對束的平滑化要求很高，每個束的非均勻性必須小於2%。同時還要求瞬時的功率平衡，各束之間的功率不平衡應小於10%。對於間接驅動，要求可以放寬一些，每個束的非均勻性必須小於2.5%，以保證均勻穩定的能量沉積在黑洞靶內；在各束之間的功率平衡的要求和直接驅動相同。在離子束驅動的慣性約束聚變中，在直接和間接驅動中的要求和雷射束相同。

因為在聚變反應堆中靶丸是移動的，在重複頻率為10Hz的情況下，每秒中從靶室上方落下10個靶丸，雷射束或粒子束要從四面八方射入打到靶丸上，因此，要求束的瞄準精度在（200~300）以內，而且重複性要好。對於直接驅動和間接驅動都有這些要求。

（5）雷射波長和粒子束射程：雷射波長應小於0.5μm，以達到在靶上的能量耦合效率高，在間接驅動中短波長雷射轉換為X射線的能量效率高；同時，由雷射和電漿相互作用產生非線性效應的閾值高。但是，如果波長很短，光學元件的破壞閥值降低，將造成造價的上升。所以最佳波長的選擇是決定於燒蝕壓產生、熱的平滑化、在電漿電暈區非線性相互作用和光學元件的破壞閾值的綜合考慮。在離子束聚變中，要求離子在靶丸表面的射程要短，以便將能量沉積在比較短的射程內，使得可將靶最表面的物質加熱到很高的溫度，但是又希望射程有一定的長度，以產生有效的內爆，通過計算要求射程在（0.02~0.2）g/cm。

（6）效率：在聚變反應堆中，要求高效率地將電網上的電能轉變成束流的能量。在前面已經講過，對於一個慣性約束聚變電站，要求驅動器的效率和靶上增益G的乘積，如果驅動器效率為10%，則要求靶上增益G>100；如果驅動器效率為30%，則靶上增益G>33就可以了。從靶物理設計上看，G>100是不容易做到的，因此，希望驅動器不能小於10%，自然靶上增益提高了，也可以放鬆對驅動器效率的要求。

在建設發電站時，對於和G的要求，要從價格的觀點來考慮，對於它們的取值要求要適中。

（7）重複頻率：聚變反應堆的驅動器必須能以一定的重複頻率運行。對於一定的功率要求，最高的脈衝重複頻率取決於靶的增益。可以達到的最高重複頻率取決於反應堆的種類。比如是否能採用一個驅動器多個反應靶室，這方面的設計研究在許多單位進行。一般地說，希望重複頻率在1Hz~10Hz之間。

（8）造價：驅動器的可接受的造價是和電站的功率大小有關係的，如果要和1000MW（e）的煤發電站和裂變發電站相競爭.按1993年的市場價格估算，要建1000MW（e）的慣性約束聚變電站要求驅動器價格不超過5億美元，制靶工廠的價格不超過1億美元。一旦慣性約束聚變的一個驅動器可以去驅動多個的反應靶室而不顯著地增加驅動器的價格時，在大於1000MW（e）的聚變電站就顯出了更大的競爭能力。必須指出降低驅動器的造價是使聚變電站具有競爭力的一個重要問題。

（9）壽命：聚變電站的壽命要求（30~40）年，運行脈衝，因為驅動器的價格占電站價格的相當大的部分。因此，也要求驅動器在（30~40）年間，在脈衝次數的工作條件下，不發生重大的元器件更換，並保持最小的維修費用。

（10）可靠性和復設性：可靠性和復設性是所有子系統都必須考慮的，因為它會影響到電站的正常運行，各子系統可靠性之重要是不言而喻的。但不能保證子系統不會出故障，如果子系統出故障，又沒有復設系統去替代它，勢必要停止發電，在電站發生這樣的事是絕對應該避免的。因此，復設系統是很重要的，而且在造價中必須考慮進去。

固體雷射驅動器

固體雷射器，尤其是玻璃雷射已經廣泛地運用於慣性約束聚變的靶實驗研究，敏玻璃是在玻璃中摻雜以銨作為激活介質，銨的摻雜量約為（2~6）%，欽玻璃具有兩個大的優點：第一，它有高的能量儲存密度；第二，它能將能量儲存在激發態上的時間比較長，約為1毫秒。由於高的儲能密度，又由於近來光學材料和鍍膜破壞閾值的顯著提高，可將整個雷射器的體積做得比較緊湊，從而降低了造價，又由於上能態的壽命可以達到1ms，所以可以用氬燈在1ms的時間內對敏玻璃進行泵浦，將激活介質的原子泵浦到上能態。同時，上能態的能量可以在0.1ns至幾個ns的時間內引出，如果不考慮其它的損耗，在雷射介質中功率放大了約一百萬倍。這就使得欽玻璃雷射的脈衝功率線路比較簡單和價格便宜。通常將欽玻璃雷射介質稱為儲能介質。又由於大尺寸的、高均勻性的敏玻璃在工藝上可以做到，因此欽玻璃雷射發展十分迅速，並成為當前從事靶物理實驗的主要雷射器。

目前在世界上存在的高功率牧玻璃雷射裝置，這些系統都是屬於主振盪器與功率放大器組成的系統，即由主振盪器產生出高光束品質雷射束，然後再經過多級功率放大器的放大，最後以獲得高功率、高能量和高光束品質的雷射輸出，這種主振盪與功率放大器系統一般包括有以下各個部分。

（1）振盪器：為了獲得穩定的雷射輸出脈衝，振盪器是一個很關鍵的部分，它必須是能輸出一個光束質量好的種子光源，然後送到後面的多級功率放大器中進行放大。因為它是在整個雷射裝置的最前頭部分，所以又稱為前端。一般有兩個前端：一個提供1ps的脈衝，一個提供100ps到1ns的脈衝，該雷射脈衝是採用鎖模的Q開關來獲得的，輸出雷射能量的穩定性要求在（1~2）%左右。

（2）脈衝波形的調製器：為了獲得靶物理所要求的雷射波形，用由許多反射鏡組成的脈衝堆積系統將許多小脈衝堆積成所要求的雷射脈衝波形。

（3）放大器：在放大鏈中有多級雷射放大器。當雷射束的直徑比較小的時候，如小於50mm.多用棒狀放大器；當雷射束的直徑在100mm至200mm時，多用片狀放大器。放大器材料為摻雜的磷酸鹽玻璃，如HoyaLHG-8，其中摻雜密度為（0.6~2.0）%，傳輸波前的畸變小於。

（4）光學閘門：為了消除寄生振盪，在放大鏈中的一些部位上放置光學閘門，這些光學閘門包含有普克爾盒和一對多層鍍膜的偏振片和一個高速率、高電壓的脈衝發生器，用來驅動普克爾盒。

（5）空間濾波器：在雷射放大鏈中，空間濾波器起著三個作用：（a）在雷射束中起著選擇空間模式的作用；（b）將入射的雷射束的光強分布傳送到下一個空間濾波器上；（c）起擴束的作用，能將光束直徑擴大到下一級放大器所需要的光束直徑大小。為此，用入射透鏡將入射的雷射聚焦，將空間濾波器的小孔放置在入射透鏡的焦平面上的焦點處。輸出的透鏡具有較長的焦距，它可以將光束擴大到所希望的直徑，這兩個透鏡將輸入的光強分布，傳送給下一級的放大器。

（6）法拉第旋轉器：在雷射放大鏈中它起著隔離由後面放大器反射回來的光。法拉第旋轉器包括放置在螺旋線圈產生的均勻磁場中的一個法拉第玻璃板和一對多層鍍膜的偏振片，一個放在輸入端，一個放在輸出端，角度都取45°。因為法拉第玻璃板將輸入的雷射束的偏振方向旋轉過45°，返回的光脈衝遇到法拉第玻璃.其偏振方向又旋轉過45°，因此，輸入端的偏振片就不讓它通過。

（7）電源系統：大量的電容器組用來儲存電能，一般來說對電容器的充電時間為幾分鐘。由幾於個電容器組成一個電容器組，每個電容器的耐壓為30kV左右。但為了延長電容器的壽命，工作電壓只用到25kV，每個電容器的電容量為幾十微法拉。電容器充好電後、通過點燃放電管進行放電，點燃氙燈。

（8）雷射聯調系統：在一個大型的牧玻璃雷射裝置中，運用了許多測量雷射束的光學元件來實現雷射的精確聯調。在整個雷射系統中，雷射束的中心定位精度要求達到雷射束直徑的1%。自動的聯調系統要用大量的微機和具有微調能力的、裝有步進馬達的光學鏡架，雷射束位置的探測是用放置在雷射放大鏈中一些合適位置上的半導體定中探測器或者電視錄像機給出，一個閉路的控制系統用來給放大器光束定中心.雷射的聯調系統可以自動化工作。

（9）雷射打靶聯調系統：多束的雷射必須都瞄準在靶丸上，這是一一個十分關鍵的問題，要求瞄準的精度達到10，打靶的聯調用一個假靶.放置在靶室的中央處，假靶是一個高度球對稱的不鏽鋼球，在其外表面上鍍以金。雷射束聚焦在這個假靶上，同時反射的雷射束就沿著同樣的路程返回，用一個探測器放置在透鏡的反面可以接收到返問的訊號。

（10）倍頻系統：短波長雷射和電漿相互作用時具有許多優點。因此，在大型的欽玻璃雷射裝置中都有倍頻裝置，它是運用非線性光學晶體KDP（、磷酸二氫鉀）以實現二倍頻與倍頻。KDP晶體可以做得體積比較大，均勻性好，吸收係數小和破壞閥值高。二倍頻的效率可達80%；三倍頻的效率可達60%。