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用于惯性聚变能源的陶瓷基YbYAG激光驱动器
信息来源: 发布时间:2016年11月25日 【 】 【打印】 【关闭

用于惯性聚变能源的陶瓷基Yb:YAG激光驱动器


报道了一种新类型的用于惯性约束聚变(ICF)驱动器的激光放大器,其基于YbYAG陶瓷片,采用侧边泵浦配置,并由高速气流冷却。掺Yb的工作介质具有非常高的效率,以及较低的余热。以陶瓷为主的材料具有比传统玻璃材料高约15倍的热传导率,且可生产成适用于10kJ20kJ级驱动光路的尺寸。高工作效率,低余热,侧边泵浦,以及基底优秀的热传导率的组合,使其可以超过20%的能源效率以1020Hz的频率工作,同时比起目前考虑的使用钕玻璃,YbS-FAP,以及低温YbYAG作为材料的驱动器,其具有相对较小的尺寸及较低的成本。在广尺寸范围内的激光驱动器可测量性将在文中展示。

  1. 简介

源自传统碳基燃料的电力生产依赖不可靠的国外来源,并会产生包括温室气体在内的大气污染。源于可再生资源的电力提供了一种补救方法,但在其目前占据了美国主要能源生产量9%的基础上仅显示出有限的增长潜力。核聚变占据了美国9%的电力产量,但其进一步发展受到了铀燃料成本,辐射副产品处置,立法限制,以及公众关注等限制。与核裂变对比,(热)核聚变循环燃烧的是可广泛获得的廉价氘燃料(水中大量存在的氢的同位素),并产生相对极少的辐射性废料。多个核聚变能源概念(比如磁核聚变)在过去的60年中被持续探索,但仅有所知的惯性约束聚变(ICF)概念可点燃核燃料。

纵观目前位于劳伦斯·里弗莫尔国家实验室(LLNL)的大尺寸ICF展示平台,ICF保留了早期的商业化结果。ICF激光驱动器中所需克服的技术挑战包括:余热的降低与控制,设计复杂性的降低,以及成本的降低。本工作显示所有这些可由使用陶瓷侧边泵浦YbYAG激光器辅以高速气流冷却的新型放大器概念进行处理。

  1. ICF概念回顾

ICF流程中,一个充满聚变燃料(通常是氘和氚)的小靶丸(即燃料球)在激光或激光束产生的X射线对靶丸外壳烧蚀后产生的内爆下被绝热压缩。因此,燃料达到两种同位素以自给率融合(点火)所必需的高温和高密度的状态,并释放出大量的能量。释放的能量大大超过内爆靶丸所要求的能量。整个流程仅需几个纳秒的时间。流程以10Hz20Hz的低频率重复进行可产生大量的热能,其可用1所示的传统蒸汽回路转换成电能。用于能量生产的ICF流程亦即所谓的惯性聚变能源(IFE)。

1 IFE电厂概念图


  1. 激光驱动器要求

激光驱动器输送的是使IFE靶丸内爆的激光能量。典型的IFE驱动激光器具有多路(最多达400)同步光路。每条光路具有四个基础部分:种子源激光器,预放大器,终端放大器,以及频率转换器,见图3。种子源激光器通常产生毫焦耳量级的种子脉冲,随后在预放部分放大至焦耳量级,并在终端放大器处达到千焦耳量级。频率转换器将来自终端放大器的数千焦耳的1微米左右波长的激光脉冲倍频至0.35微米以提升与燃料靶丸的耦合度。终端放大器可占用超过90%的驱动器功耗。这是激光驱动器最具挑战性的部分,因为其决定了输出脉冲能量,光束质量(BQ),转换效率,以及资本和运行成本。

3 IFE驱动器单条光路的通常结构

如图6所示,输出电能的大部分用于运行激光驱动器,这减少了净输出量。很容易看到IFE电厂的净输出和其生产出的电力成本对驱动器激光效率是非常敏感的。为了使IFE在经济上可行,且在商业上具有吸引力,激光驱动器的效率应达到技术与经济允许范围内的最高值。

6 选出的用于1GWIFE电厂的激光驱动器的典型要求

  1. 目前激光驱动技术的局限

同时期的ICF研究装置中,终端放大器增益元件由氙灯激励(或泵浦),且没有主动冷却。因此,今日ICF研究装置中的激光驱动器每天只能产生几个脉冲。达到与IFE相关的PRF的方法包括:1)用激光二极管代替氙灯并且2)用高速气流冷却激光增益元件。2004年在LLNL服役的水星激光器是第一台具有这些特性的小尺寸IFE驱动激光器原型。水星放大器以10Hz的频率输出1μm波长,60J的脉冲。图7显示的是水星气冷放大器的一部分,包含7个激光增益元件(矩形片),相当于目标ICF驱动器的1/150(在脉冲能量上)。在该先驱装置中,由能级缺陷导致的余热被用节能Yb3+激光离子掺杂入锶-氟磷灰石晶体(S-FAP)的方法大量减少了。不幸的是,研究人员发现大而高质量的S-FAP晶体极其难以生长,使得该材料无法扩展至IFE应用中。

7 水星激光放大器部分:a7YbS-FAP片(4×6×0.75cm)的冷却头;b)冷却系统的剖面图;c)安装在放大器头部的片和气体叶片。

  1. 具有可扩展性及高平均功率的激光陶瓷

IFE驱动器的激光增益元件预计具有2030厘米的横向尺寸,且厚度在几个厘米左右。合适的基材应该具有高热传导率,各向同性,且可生产成大尺寸。同时期的ICF研究驱动器通常使用钕掺杂入非热磷酸盐玻璃中,其可生产出非常大的尺寸,请具有非常好的质量。然而,诸如APG-1之类的磷酸盐玻璃的热传导率仅有0.82W/m-0K,比YAG小了14倍。因此,在IFE相关PRF(比如高平均功率)下运行钕玻璃放大器是相当具有挑战性的。

晶体基底,如流行的YAG晶体可提供比玻璃好得多的热性能。NdYAG,作为连续波长(CW)激光器良好的增益介质,具有相对较低的0.3J/cm2的饱和通量,使其在诸如IFE驱动器所需要的受激态能量存储方面没什么用处。另一方面,YbYAG以约9J/cm2的饱和通量提供了良好的能量存储能力。

通过共烧掺杂和非掺杂部分以及/或具有不同掺杂的部分,陶瓷可用于复合激光增益介质的有益成型。这样的复合有利于泵浦辐射的有效集中,放大器自发辐射(ASE)的减轻,以及片边缘的热应力降低。共烧的复合物具有整体性的机械强度。Konoshima通过共烧一个片型掺杂中心以及非掺杂边缘的方法形成了各种C-YAG复合激光片,如图10所示。

  1. 结论

研究人员展示了对用于IFE驱动器的EPDL基底的Yb:C-YAG终端放大器进行的初始研究的结果。在这方面报道的结果表明,EPDL基底的驱动器可提供一个有效率的,模块化的,以及经济的方法来构建高脉冲能量的,可直接扩展至用于IFE的全尺寸激光驱动器的放大器。研究人员显示出用于IFEYbYAG基底的EPDL放大器比起传统钕玻璃驱动器具有重要的优势。EPDL基底激光驱动器在大尺寸范围内的可扩展性在理论上得到了验证。

顾侃摘译自:Yb:YAG Ceramic-Based Laser Driver for Inertial Fusion Energy (IFE). John Vetrovecb , Drew A. Copeland, and Amardeep S. Litt. Proc. of SPIE 9726 972619



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