慣性聚變能

慣性聚變能

慣性聚變能是聚變能的一個有潛在吸引力的途徑 。 慣性聚變能(Inertial Fusion Energy,IFE),即基於慣性約束聚變(ICF)獲得潔淨的氘氚(DT)聚變能、並具有商業套用價值的新型能源 。 為了實現2030年左右IFE商業發電,美國已制定了詳細的IFE研究計 劃,第一階段 (1999~2008) 為原理驗證以及相關的聚變科學和技術問題,第二階段(2009~2020)集成實驗研究,第三階段(2020~2030)為工程試驗裝置建設,最後是演示商業聚變電站建設 。

慣性聚變能簡介

將雷射、X 射線或離子束快速沉積至微球面靶丸(內充DT燃料)的表面,壓縮靶丸並產生微爆炸,如果驅動器的效率與靶增益之積遠大於1,將產具有商業價值的電能輸出,從而真正解決人類的能源危機 。

由於靶丸必須向心壓縮至很高的密度,出現DT聚變,因此需要很高的壓縮對稱性才能獲得足夠高的靶增益。

壓縮過程通常有兩種方案,第一種是間接驅動,用雷射束或離子束與黑腔靶壁的高Z材料相互作用,產生圍繞靶丸的X射線,從而使靶丸獲得均勻的能量沉積,基於該方案的有Nova(美)、NIF裝置(美)、LMJ裝置(法)等 。間接驅動方案的優點是降低了對驅動源的輻照均勻性要求,但是物理過程多而複雜,束靶能量耦合效率低(輻射輸運效率10%~20%,體力學效率<15%),因此增益也低 。

第二種是直接驅動方案,他是將雷射束或離子束直接、均勻地輻照聚變靶丸,以獲得高的束靶能量耦合效率,直接驅動方案的技術挑戰是驅動束的均勻輻照以及隨後的流體不穩定性控制。直接驅動的優點是物理過程簡單,避免了黑腔電漿的有關問題,束靶能量耦合效率高(吸收效率70%~90%,流體力學效率約10%,總效率可達到7%~9%,比間接驅動的效率高3~6倍左右),可獲高的靶增益,但是直接驅動要求驅動源具有非常好的束均勻性,而且還要求脈衝前沿也要平滑,以防止靶丸表面產生調製並導致流體不穩定性增長 。

限制條件

英國科學家勞遜提出的判據:a.1億度左右的溫度;b.足夠高的粒子密度,並維持一定時間。

原理

電漿超高溫膨脹,需要一定時間。(克服慣性加速以及膨脹分離)如果能在這超短的時間之內完成聚變反應,問題就將迎刃而解。

雷射具有功率高,脈衝短的優勢,在電漿來不及飛散之前,即完成加熱、聚合燃燒等全過程聚變反應。

慣性聚變能雷射驅動器的頂層技術指標

IFE對雷射驅動器的頂層技術指標要求 IFE對雷射驅動器的頂層技術指標要求

慣性聚變能主要包括以下單元部件或過程:1) 驅動器,括總能量、效率、重複率、可靠性、束勻滑、波長、時間波形等技術要求;2) 終端光學組件;3) 靶室結構及靶丸製造與注入;4) 高增益靶相關物理 。

慣性聚變能雷射驅動器技術

ICF雷射驅動器是基於燈抽運釹玻璃技術發展起來的單發次運行的高峰值功率、高能量固體雷射器,發展歷程可追溯至20世紀70年代。目前 IFE 雷射驅動器主要集中於兩類器件:電子束抽運的KrF氣體雷射驅動器和DPSSL 驅動器,它們各有優缺點,都可能達到IFE對驅動器的技術要求,近幾年得到了平行發展 。

KrF雷射驅動器

KrF氣體雷射器的248nm波長非常有利於直接驅動方案,獲得高的束靶耦合效率 。而且KrF氣體雷射器還具有光束非常均勻的特點(氣體雷射器的本徵特性),光束均勻性比現有的短波長玻璃固體雷射器的光束均勻性要好一個數量級以上。另外,KrF雷射器的頻寬為1~3THz,可方地用於誘發空間非相干性(ISI)技術的束勻滑;增益介質為氣體,非線性效應大大降低。雖然 KrF雷射驅動器針對直接驅動方案表現了一定的優勢,但是它仍然面臨一系列的技術挑戰,主要是重複率、可靠性(壽命)以及效率。

DPSSL雷射驅動器

DPSSL(雷射二極體抽運的固體雷射器)是另一種實現IFE驅動器的技術途徑,所以選擇DPSSL,是因為其可以實現重複頻率運行以及較低的熱產額,為慣性聚變能源(IFE)驅動器研究的重要技術途徑 。固體雷射器20多年來已在ICF領域扮演重要的角色,特別是預期將要在NIF上同時演示間接驅動(1~10倍靶增益)和直接驅動(應該更高),而激二極體抽運又可以實現重複頻率運轉以及低的熱產額 。IFE驅動器高效率、重複頻率、大能量、高可靠性、寬光譜帶的需求帶動了諸多DPSSL 關鍵技術的發展 。

套用

慣性聚變能是聚變能的一條頗有潛力的途徑。一些文獻已就其作為頗具吸引力的理由作了評述。由於以下原因,慣性聚變能是一條可以負擔的研究途徑。1.元件和系統的可分離性和模組性;2.靶、驅動器、反應室中潛在有吸引力候選物的廣泛性;3.慣性約束聚變技術其它套用,如國防、高能密度物理以及工業等的促進;4.發電廠的工程研製可用小型、低成本的反應室進行。慣性約束聚變在分析核武器性能上很有價值,因此。有人擔心通過慣性聚變工作會將與武器有關的信息擴散。IFSA的進展以及共享未來成果的能力將有賴於“全面核禁試條約”,及減少全球的核危險。對所有慣性聚變科學及套用,21世紀都會是非常激動人心的 。

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