[科普中国]-惯性聚变驱动器

惯性约束聚变驱动器的基本要求

惯性约束聚变发电站所需要的驱动器必须具有下面几个特点：第一，它必须具备能将靶丸点燃并使靶上的能量增益达到足够高的数值；第二，具有好的可靠性和重复性；第三，好的经济性.即驱动器的成本必须尽量降低。其具体的要求可描述如下：

（1）强度和可聚焦性：驱动脉冲的时间宽度为几个毫微秒，靶上的功率密度应达到（），束流可以被聚焦到较小的斑点。对于激光束斑点直径约为mm量级；对于离子束，直径约为cm量级。

（2）能量：驱动器的输出能量对于高增益靶要求达到（3~10）MJ，确切的数值决定于驱动脉冲和靶的能量耦合效率，总的脉冲长度可以是十几ns，但是峰值功率脉冲部分的宽度只有几个ns，峰值功率和最小功率之比要大于30倍。

（3）脉冲波形控制：希望脉冲强度的增加是逐渐的从小增加到峰值，总脉冲宽度可能是几十，脉冲峰值部分只有几个，峰值功率和最小功率之比要大于30倍，即脉冲振幅随时间变化的动态范围要大于30倍。

（4）空间控制：在燃料靶丸上驱动力的空间均匀性是一个非常重要的问题，在整个靶丸的表面上辐照强度的变化必须小于（1~2）%。对于直接驱动，对束的平滑化要求很高，每个束的非均匀性必须小于2%。同时还要求瞬时的功率平衡，各束之间的功率不平衡应小于10%。对于间接驱动，要求可以放宽一些，每个束的非均匀性必须小于2.5%，以保证均匀稳定的能量沉积在黑洞靶内；在各束之间的功率平衡的要求和直接驱动相同。在离子束驱动的惯性约束聚变中，在直接和间接驱动中的要求和激光束相同。

因为在聚变反应堆中靶丸是移动的，在重复频率为10Hz的情况下，每秒中从靶室上方落下10个靶丸，激光束或粒子束要从四面八方射入打到靶丸上，因此，要求束的瞄准精度在（200~300）以内，而且重复性要好。对于直接驱动和间接驱动都有这些要求。

（5）激光波长和粒子束射程：激光波长应小于0.5μm，以达到在靶上的能量耦合效率高，在间接驱动中短波长激光转换为X射线的能量效率高；同时，由激光和等离子体相互作用产生非线性效应的阈值高。但是，如果波长很短，光学元件的破坏阀值降低，将造成造价的上升。所以最佳波长的选择是决定于烧蚀压产生、热的平滑化、在等离子体电晕区非线性相互作用和光学元件的破坏阈值的综合考虑。在离子束聚变中，要求离子在靶丸表面的射程要短，以便将能量沉积在比较短的射程内，使得可将靶最表面的物质加热到很高的温度，但是又希望射程有一定的长度，以产生有效的内爆，通过计算要求射程在（0.02~0.2）g/cm²。

（6）效率：在聚变反应堆中，要求高效率地将电网上的电能转变成束流的能量。在前面已经讲过，对于一个惯性约束聚变电站，要求驱动器的效率和靶上增益G的乘积，如果驱动器效率为10%，则要求靶上增益G>100；如果驱动器效率为30%，则靶上增益G>33就可以了。从靶物理设计上看，G>100是不容易做到的，因此，希望驱动器不能小于10%，自然靶上增益提高了，也可以放松对驱动器效率的要求。

在建设发电站时，对于和G的要求，要从价格的观点来考虑，对于它们的取值要求要适中。

（7）重复频率：聚变反应堆的驱动器必须能以一定的重复频率运行。对于一定的功率要求，最高的脉冲重复频率取决于靶的增益。可以达到的最高重复频率取决于反应堆的种类。比如是否能采用一个驱动器多个反应靶室，这方面的设计研究在许多单位进行。一般地说，希望重复频率在1Hz~10Hz之间。

（8）造价：驱动器的可接受的造价是和电站的功率大小有关系的，如果要和1000MW（e）的煤发电站和裂变发电站相竞争.按1993年的市场价格估算，要建1000MW（e）的惯性约束聚变电站要求驱动器价格不超过5亿美元，制靶工厂的价格不超过1亿美元。一旦惯性约束聚变的一个驱动器可以去驱动多个的反应靶室而不显著地增加驱动器的价格时，在大于1000MW（e）的聚变电站就显出了更大的竞争能力。必须指出降低驱动器的造价是使聚变电站具有竞争力的一个重要问题。

（9）寿命：聚变电站的寿命要求（30~40）年，运行脉冲，因为驱动器的价格占电站价格的相当大的部分。因此，也要求驱动器在（30~40）年间，在脉冲次数的工作条件下，不发生重大的元器件更换，并保持最小的维修费用。

（10）可靠性和复设性：可靠性和复设性是所有子系统都必须考虑的，因为它会影响到电站的正常运行，各子系统可靠性之重要是不言而喻的。但不能保证子系统不会出故障，如果子系统出故障，又没有复设系统去替代它，势必要停止发电，在电站发生这样的事是绝对应该避免的。因此，复设系统是很重要的，而且在造价中必须考虑进去。1

固体激光驱动器固体激光器，尤其是玻璃激光已经广泛地运用于惯性约束聚变的靶实验研究，敏玻璃是在玻璃中掺杂以铵作为激活介质，铵的掺杂量约为（2~6）%，钦玻璃具有两个大的优点：第一，它有高的能量储存密度；第二，它能将能量储存在激发态上的时间比较长，约为1毫秒。由于高的储能密度，又由于近来光学材料和镀膜破坏阈值的显著提高，可将整个激光器的体积做得比较紧凑，从而降低了造价，又由于上能态的寿命可以达到1ms，所以可以用氩灯在1ms的时间内对敏玻璃进行泵浦，将激活介质的原子泵浦到上能态。同时，上能态的能量可以在0.1ns至几个ns的时间内引出，如果不考虑其它的损耗，在激光介质中功率放大了约一百万倍。这就使得钦玻璃激光的脉冲功率线路比较简单和价格便宜。通常将钦玻璃激光介质称为储能介质。又由于大尺寸的、高均匀性的敏玻璃在工艺上可以做到，因此钦玻璃激光发展十分迅速，并成为当前从事靶物理实验的主要激光器。

目前在世界上存在的高功率牧玻璃激光装置，这些系统都是属于主振荡器与功率放大器组成的系统，即由主振荡器产生出高光束品质激光束，然后再经过多级功率放大器的放大，最后以获得高功率、高能量和高光束品质的激光输出，这种主振荡与功率放大器系统一般包括有以下各个部分。

（1）振荡器：为了获得稳定的激光输出脉冲，振荡器是一个很关键的部分，它必须是能输出一个光束质量好的种子光源，然后送到后面的多级功率放大器中进行放大。因为它是在整个激光装置的最前头部分，所以又称为前端。一般有两个前端：一个提供1ps的脉冲，一个提供100ps到1ns的脉冲，该激光脉冲是采用锁模的Q开关来获得的，输出激光能量的稳定性要求在（1~2）%左右。

（2）脉冲波形的调制器：为了获得靶物理所要求的激光波形，用由许多反射镜组成的脉冲堆积系统将许多小脉冲堆积成所要求的激光脉冲波形。

（3）放大器：在放大链中有多级激光放大器。当激光束的直径比较小的时候，如小于50mm.多用棒状放大器；当激光束的直径在100mm至200mm时，多用片状放大器。放大器材料为掺杂的磷酸盐玻璃，如HoyaLHG-8，其中掺杂密度为（0.6~2.0）%，传输波前的畸变小于。

（4）光学闸门：为了消除寄生振荡，在放大链中的一些部位上放置光学闸门，这些光学闸门包含有普克尔盒和一对多层镀膜的偏振片和一个高速率、高电压的脉冲发生器，用来驱动普克尔盒。

（5）空间滤波器：在激光放大链中，空间滤波器起着三个作用：（a）在激光束中起着选择空间模式的作用；（b）将入射的激光束的光强分布传送到下一个空间滤波器上；（c）起扩束的作用，能将光束直径扩大到下一级放大器所需要的光束直径大小。为此，用入射透镜将入射的激光聚焦，将空间滤波器的小孔放置在入射透镜的焦平面上的焦点处。输出的透镜具有较长的焦距，它可以将光束扩大到所希望的直径，这两个透镜将输入的光强分布，传送给下一级的放大器。

（6）法拉第旋转器：在激光放大链中它起着隔离由后面放大器反射回来的光。法拉第旋转器包括放置在螺旋线圈产生的均匀磁场中的一个法拉第玻璃板和一对多层镀膜的偏振片，一个放在输入端，一个放在输出端，角度都取45°。因为法拉第玻璃板将输入的激光束的偏振方向旋转过45°，返回的光脉冲遇到法拉第玻璃.其偏振方向又旋转过45°，因此，输入端的偏振片就不让它通过。

（7）电源系统：大量的电容器组用来储存电能，一般来说对电容器的充电时间为几分钟。由几于个电容器组成一个电容器组，每个电容器的耐压为30kV左右。但为了延长电容器的寿命，工作电压只用到25kV，每个电容器的电容量为几十微法拉。电容器充好电后、通过点燃放电管进行放电，点燃氙灯。

（8）激光联调系统：在一个大型的牧玻璃激光装置中，运用了许多测量激光束的光学元件来实现激光的精确联调。在整个激光系统中，激光束的中心定位精度要求达到激光束直径的1%。自动的联调系统要用大量的微机和具有微调能力的、装有步进马达的光学镜架，激光束位置的探测是用放置在激光放大链中一些合适位置上的半导体定中探测器或者电视录像机给出，一个闭路的控制系统用来给放大器光束定中心.激光的联调系统可以自动化工作。

（9）激光打靶联调系统：多束的激光必须都瞄准在靶丸上，这是一一个十分关键的问题，要求瞄准的精度达到10，打靶的联调用一个假靶.放置在靶室的中央处，假靶是一个高度球对称的不锈钢球，在其外表面上镀以金。激光束聚焦在这个假靶上，同时反射的激光束就沿着同样的路程返回，用一个探测器放置在透镜的反面可以接收到返问的讯号。

（10）倍频系统：短波长激光和等离子体相互作用时具有许多优点。因此，在大型的钦玻璃激光装置中都有倍频装置，它是运用非线性光学晶体KDP（、磷酸二氢钾）以实现二倍频与倍频。KDP晶体可以做得体积比较大，均匀性好，吸收系数小和破坏阀值高。二倍频的效率可达80%；三倍频的效率可达60%。1