程 功，李志民，黃桂學(xué)

(1.中國(guó)工程物理研究院科技信息中心，綿陽621900;2.中國(guó)工程物理研究院 激光聚變研究中心，綿陽621900;3.國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃804辦公室，北京100088)

引 言

高功率激光能源研究(high power laser energy research，HiPER)項(xiàng)目由英國(guó)科研委員中心實(shí)驗(yàn)室理事會(huì)(Council for the Central Laboratory of the Research Councils，CCLRC)組織發(fā)起，是歐盟致力于以高能量激光驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變(inertial confinement fusion，ICF)為基礎(chǔ)的，發(fā)展清潔聚變能源技術(shù)為目標(biāo)的大型研究項(xiàng)目［1］。HiPER項(xiàng)目將以HiPER大型激光裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程建設(shè)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)為研究重點(diǎn)，通過整合歐洲現(xiàn)有的資源和技術(shù)，集中力量在科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)創(chuàng)新上取得研究突破，從而滿足整個(gè)激光裝置設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行中面臨的所有技術(shù)需求，逐步實(shí)現(xiàn)從激光聚變?cè)淼目茖W(xué)驗(yàn)證到建立演示聚變電廠的轉(zhuǎn)變;同時(shí)，在整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施過程中，不斷地帶動(dòng)相關(guān)研究領(lǐng)域和技術(shù)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，使歐洲在慣性聚變能(inertial fusion energy，IFE)領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，并在極端環(huán)境下的基礎(chǔ)物理研究中具備其它國(guó)家沒有的科研能力［2］。HiPER是除美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(national ignition facility，NIF)、法國(guó)兆焦耳激光器(lasermégajoule，LMJ)之外又一個(gè)致力于激光聚變能源研究的點(diǎn)火級(jí)大型科學(xué)裝置，它的設(shè)計(jì)和建造將借鑒NIF，LMJ的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，并采用更先進(jìn)的技術(shù)路線和更廣泛的國(guó)際合作。毫無疑問，HiPER項(xiàng)目是一個(gè)非常好的聚變科學(xué)研究與工程開發(fā)實(shí)例，跟蹤和剖析它的項(xiàng)目規(guī)劃、項(xiàng)目管理、科研模式、技術(shù)路線等方面內(nèi)容，對(duì)于我國(guó)的大型激光聚變裝置及聚變技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃、管理決策、技術(shù)方案選優(yōu)等方面均有較強(qiáng)的參考與借鑒作用，因此，有必要對(duì)其進(jìn)行充分地跟蹤整理與分析消化，并為我所用。

1 HiPER項(xiàng)目簡(jiǎn)介

HiPER項(xiàng)目的核心任務(wù)是建造一臺(tái)高重復(fù)率、聚變反應(yīng)堆類型的大型激光裝置(如圖1所示)，并使其最終成為一個(gè)靈活、反應(yīng)迅速、能夠適應(yīng)多種科學(xué)研究的設(shè)施，最大限度滿足聚變能研究與技術(shù)開發(fā)，以及諸如極端條件物理、實(shí)驗(yàn)室天體物理、核物理、強(qiáng)場(chǎng)物理等基礎(chǔ)科學(xué)研究的需求［2］。HiPER激光裝置主要由高功率激光驅(qū)動(dòng)器、聚變靶室、靶丸注入與跟蹤系統(tǒng)、集成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電廠等幾部分構(gòu)成。

圖1 HiPER裝置假想圖

在HiPER的概念設(shè)計(jì)中，激光驅(qū)動(dòng)器擬采用二極管抽運(yùn)固體激光技術(shù)，單個(gè)子束輸出功率達(dá)到千焦級(jí)，工作頻率約為10Hz。聚變反應(yīng)室是激光燒蝕燃料靶丸引發(fā)聚變反應(yīng)的區(qū)域，它能在高能量輻射環(huán)境下持續(xù)可靠地運(yùn)行，并通過增殖包層進(jìn)行熱能收集和氚提取。HiPER擁有2個(gè)以上的靶室，用于聚變能源開發(fā)和基礎(chǔ)物理研究等不同學(xué)科領(lǐng)域的研究。靶丸注入與跟蹤系統(tǒng)負(fù)責(zé)向反應(yīng)室的中心高速發(fā)射靶丸，并精確跟蹤靶丸飛行軌跡和預(yù)測(cè)靶丸位置，以確保激光束在恰當(dāng)時(shí)刻準(zhǔn)確地匯聚在燃料靶丸上。集成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能執(zhí)行控制員的指令，監(jiān)視和記錄系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)，控制整個(gè)系統(tǒng)安全有序地運(yùn)行。電廠將聚變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能向電網(wǎng)輸出。HiPER的設(shè)計(jì)將重點(diǎn)關(guān)注全球范圍內(nèi)兩處同等規(guī)模的大型激光系統(tǒng)——美國(guó)NIF和法國(guó)LMJ裝置的現(xiàn)狀與技術(shù)進(jìn)展，參考借鑒上述系統(tǒng)的資料和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)［1-2］。

在實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火的技術(shù)方案上，HiPER項(xiàng)目采用沖擊波點(diǎn)火作為首選方案，這有別于中心熱斑點(diǎn)火和快點(diǎn)火方案。沖擊波點(diǎn)火是 BETTI等人在2007年提出來的一種新型慣約聚變點(diǎn)火方案［3-4］。該方案將壓縮與點(diǎn)火分開，主要分為2個(gè)物理過程(如圖2所示):首先，聚變?nèi)剂显趦?nèi)爆速率較低(200km/s～300km/s，而中心點(diǎn)火為 350km/s～400km/s［4］，需要更高的驅(qū)動(dòng)能量)的條件下，由長(zhǎng)脈沖壓縮靶丸;然后，在壓縮的最后階段，將一個(gè)強(qiáng)脈沖耦合到壓縮脈沖的后沿，形成強(qiáng)的沖擊波，與靶中心區(qū)返回的沖擊波在內(nèi)殼層附件對(duì)碰，碰撞將極大提高內(nèi)殼層附近的燃料密度，碰撞產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波繼續(xù)向中心傳播，提高中心區(qū)的溫度和壓強(qiáng)，進(jìn)而達(dá)到點(diǎn)火條件，實(shí)現(xiàn)燃料的聚變點(diǎn)火與燃燒。相比中心熱斑點(diǎn)火，沖擊點(diǎn)火不僅具有快點(diǎn)火的低點(diǎn)火能量閾值、更高的增益和較好的流體力學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)［3］，還具有中心點(diǎn)火結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)［4-8］。由于激光能量與發(fā)電費(fèi)用有較為直接的聯(lián)系，上述特點(diǎn)也可以大大降低IFE發(fā)電廠的費(fèi)用投入，有利于發(fā)電廠的商業(yè)運(yùn)營(yíng)和成本回收［2］。然而沖擊點(diǎn)火概念比較新穎，物理過程復(fù)雜，還需要物理學(xué)家進(jìn)行深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。圖2是典型的沖擊點(diǎn)火激光脈沖波形圖［3］。

圖2 沖擊點(diǎn)火典型激光脈沖波形

HiPER項(xiàng)目作為歐盟大型戰(zhàn)略研究工程，其技術(shù)復(fù)雜性和工程難度是空前的，為實(shí)現(xiàn)從歐盟現(xiàn)有的學(xué)術(shù)激光系統(tǒng)(如Vulcan、LULI-2000、PETAL等)到HiPER激光裝置的技術(shù)跨躍，必須要在科學(xué)基礎(chǔ)、研究手段和技術(shù)成熟度上取得極大進(jìn)步。為此，HiPER項(xiàng)目不可避免地要依靠歐盟各國(guó)或地區(qū)的實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)團(tuán)體、工業(yè)界和政府機(jī)構(gòu)的力量，取得他們廣泛的支持與參與，借鑒他們?cè)谙嚓P(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)與管理經(jīng)驗(yàn)，吸納他們的資金，從而降低項(xiàng)目的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和建設(shè)成本，確保項(xiàng)目順利高效地實(shí)施。目前，該項(xiàng)目已有7個(gè)歐洲國(guó)家或國(guó)家級(jí)資助機(jī)構(gòu)、2個(gè)地區(qū)政府以及超過20個(gè)科研機(jī)構(gòu)正式簽署協(xié)議，并與工業(yè)部門直接展開合作。實(shí)際上，該項(xiàng)目的參與方已經(jīng)超出了歐盟范圍，項(xiàng)目還得到中國(guó)、日本、韓國(guó)、加拿大、俄羅斯和美國(guó)的協(xié)作［1-2］。

2 HiPER項(xiàng)目進(jìn)展與未來規(guī)劃

HiPER項(xiàng)目由英國(guó)CCLRC發(fā)起并推動(dòng)實(shí)施，項(xiàng)目總部設(shè)在CCLRC所屬的盧瑟福·阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。從2005年開始，來自英、法、德、意等12個(gè)國(guó)家的50余名資深科學(xué)家對(duì)其進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)。2006-10-19，歐洲研究基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略論壇發(fā)布未來歐洲科學(xué)機(jī)遇路線圖，將HiPER項(xiàng)目列為未來20年發(fā)展的主要科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施之一，肯定了HiPER項(xiàng)目潛在的巨大學(xué)術(shù)與商業(yè)價(jià)值。2007年，經(jīng)過2年的努力之后，概念設(shè)計(jì)趨于成熟，CCLRC向歐洲委員會(huì)提交了正式提案，以便對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行建設(shè)準(zhǔn)備［1］。

經(jīng)過詳細(xì)審查，歐洲委員會(huì)于2008-09-19啟動(dòng)了HiPER項(xiàng)目籌備期工作(項(xiàng)目階段1)，其主要任務(wù)目標(biāo)是［9］:(1)定義恰當(dāng)?shù)姆伞⒐芾砗拓?cái)務(wù)框架;(2)進(jìn)行激光裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì);(3)發(fā)展項(xiàng)目技術(shù)基礎(chǔ)和提高項(xiàng)目科學(xué)成熟度。

此外，項(xiàng)目籌備期還將進(jìn)行成本效益分析，確立透明的長(zhǎng)期資金籌備體制和來源，構(gòu)建清晰的資金統(tǒng)計(jì)和償付框架，規(guī)劃可實(shí)現(xiàn)的采購(gòu)戰(zhàn)略，明確項(xiàng)目選址，并確保各參與方之間的協(xié)同運(yùn)作。鑒于項(xiàng)目規(guī)模比較大，項(xiàng)目籌備階段還需要完成項(xiàng)目論證，以驗(yàn)證項(xiàng)目投資與實(shí)施的可行性。為順利地實(shí)現(xiàn)籌備期任務(wù)目標(biāo)，歐洲委員會(huì)按任務(wù)分解結(jié)構(gòu)(work breakdown structure，WBS)框架將籌備期工作分解細(xì)化為15個(gè)工作包，以便于項(xiàng)目的組織、實(shí)施和管理，資源的優(yōu)化配置和落實(shí)，并增加項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的可控性，確?；I備期結(jié)束后能夠迅速向下一階段過渡。15個(gè)工作包涵蓋了HiPER項(xiàng)目的管理、財(cái)務(wù)、法律、戰(zhàn)略和技術(shù)層面(如表1所示)［1］。按照項(xiàng)目的時(shí)間進(jìn)度表(如圖3所示)，HiPER項(xiàng)目現(xiàn)在處于籌備后期。

表1 HiPER項(xiàng)目籌備期工作包一覽表

圖3 HiPER項(xiàng)目最新時(shí)間進(jìn)度表

如果籌備期工作進(jìn)展順利，從2013年中期開始，HiPER項(xiàng)目進(jìn)入HiPER技術(shù)開發(fā)期(階段2)，該階段的主要工作任務(wù)是物理方案驗(yàn)證和相關(guān)技術(shù)開發(fā)［1］。物理方案驗(yàn)證包括沖擊波點(diǎn)火物理研究和實(shí)驗(yàn)演示。

2010年10月，HiPER執(zhí)行委員會(huì)決定，HiPER項(xiàng)目將沖擊波點(diǎn)火作為首選技術(shù)方案。在開始建造HiPER裝置之前，為提高點(diǎn)火方案的技術(shù)成熟度，降低其技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，必須在現(xiàn)有的大型激光裝置(如法國(guó)的LMJ裝置)上，進(jìn)行沖擊波點(diǎn)火方案的全尺度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

在2016年LMJ裝置建成前，將依托一些中等規(guī)模的激光裝置，如PALS(捷克)、PETAL(法國(guó))、Vulcan(英國(guó))和Omega(美國(guó))，進(jìn)行所有的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值建模。2016年后，一旦理論建模和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證足夠成熟，兆焦耳激光裝置上將啟動(dòng)點(diǎn)火攻關(guān)。隨后，進(jìn)行增益優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，提高激光聚變能的商業(yè)可行性。

技術(shù)開發(fā)包括以下3個(gè)主要技術(shù)領(lǐng)域的研究活動(dòng):(1)激光器:發(fā)展二極管抽運(yùn)固體激光技術(shù)，促進(jìn)激光聚變能的商業(yè)開發(fā)，其中包括下一代激光器構(gòu)架原型，這種激光器具備較高的工作頻率、峰值功率和能源效率，可滿足激光聚變能的商業(yè)開發(fā);(2)燃料靶丸:開發(fā)燃料靶丸的低成本的大批量制造技術(shù)，燃料靶丸能在反應(yīng)室高溫環(huán)境下點(diǎn)火并實(shí)現(xiàn)高增益聚變，而且容易大規(guī)模制造和貯存;(3)聚變靶室:進(jìn)行可耐受高頻率聚變反應(yīng)環(huán)境的靶室的概念開發(fā)，其中包括靶室各類材料的研發(fā)和測(cè)試、氚燃料管理、增殖方案和能量收集系統(tǒng)。

2020年，項(xiàng)目進(jìn)入HiPER的設(shè)計(jì)與建造期(最后階段)，該階段將依次進(jìn)行電廠概念設(shè)計(jì)，投資評(píng)估，HiPER裝置的工程建造，以及演示HiPER裝置作為激光聚變能電廠的系統(tǒng)集成性和運(yùn)行能力。2028年將是進(jìn)行項(xiàng)目情況評(píng)估以決定是否進(jìn)行建設(shè)投資的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

3 HiPER項(xiàng)目管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

HiPER項(xiàng)目組總部設(shè)在英國(guó)盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室，其管理配置上采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)遵循了最佳的行業(yè)慣例，并依據(jù)項(xiàng)目需要進(jìn)行了適度調(diào)整。HiPER項(xiàng)目的管理結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)如圖4所示［1］。系統(tǒng)各部門之間已經(jīng)建立了良好的溝通機(jī)制，并形成了一個(gè)穩(wěn)固的工作基礎(chǔ)。項(xiàng)目組內(nèi)部定期舉行不同級(jí)別的管理會(huì)議，它們是項(xiàng)目工作的重要組成部分。

圖4 HiPER項(xiàng)目管理系統(tǒng)

HiPER項(xiàng)目組由項(xiàng)目執(zhí)行委員會(huì)牽頭管理，執(zhí)行委員會(huì)由12名技術(shù)專家和管理專家組成，他們來自不同國(guó)家或地區(qū)的合作方(政府、大學(xué)、實(shí)驗(yàn)室等)。執(zhí)行委員會(huì)負(fù)責(zé)整個(gè)項(xiàng)目的戰(zhàn)略管理。為了滿足日常管理需求，執(zhí)行委員會(huì)建立了一個(gè)項(xiàng)目管理部負(fù)責(zé)日常事務(wù)管理，并委派正副兩名協(xié)調(diào)官協(xié)助項(xiàng)目經(jīng)理的管理工作。項(xiàng)目經(jīng)理負(fù)責(zé)實(shí)施和控制整個(gè)項(xiàng)目運(yùn)作，對(duì)項(xiàng)目實(shí)行質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本管理，并全面提高項(xiàng)目管理水平;協(xié)調(diào)官的主要任務(wù)是創(chuàng)造HiPER項(xiàng)目良好的運(yùn)作環(huán)境，充當(dāng)項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)的組織者和項(xiàng)目的倡導(dǎo)者，并敦促歐洲政府高級(jí)決策者(部長(zhǎng)、投資方等)的積極響應(yīng)和參與。此外，協(xié)調(diào)官還是所有推進(jìn)項(xiàng)目向前發(fā)展的政策與技術(shù)的維護(hù)者，加強(qiáng)HiPER項(xiàng)目與歐洲委員會(huì)、與科研項(xiàng)目投資方交流溝通的聯(lián)絡(luò)人，從而確保項(xiàng)目合作方以一種統(tǒng)一、內(nèi)聚的方式參與到項(xiàng)目任務(wù)的組織與實(shí)施中去。項(xiàng)目管理經(jīng)理下轄項(xiàng)目管理部，項(xiàng)目管理部由項(xiàng)目支持、法律與行政管理、聯(lián)絡(luò)、財(cái)務(wù)和項(xiàng)目開發(fā)等部門構(gòu)成(見圖4)。

4 HiPER裝置設(shè)計(jì)進(jìn)展

HiPER項(xiàng)目現(xiàn)處于籌備期，已公布了其概念設(shè)計(jì)報(bào)告(2007年)。報(bào)告基于現(xiàn)有的激光聚變技術(shù)基礎(chǔ)，并借鑒了同規(guī)模激光裝置NIF和LMJ設(shè)計(jì)與建造中的科研經(jīng)驗(yàn)與研究成果，提出了HiPER裝置自己的設(shè)計(jì)原則和性能指標(biāo)。但報(bào)告仍處于理論設(shè)計(jì)層面，還需要對(duì)關(guān)鍵技術(shù)展開深入的理論分析、詳細(xì)的技術(shù)開發(fā)和大量的實(shí)驗(yàn)論證，預(yù)計(jì)最終的設(shè)計(jì)方案將在項(xiàng)目階段2以后出爐。表2中列出了HiPER裝置的主要指標(biāo)，同時(shí)給出了與其同規(guī)模的兩大裝置的對(duì)應(yīng)指標(biāo)，供參考比較［2，10］。下面將簡(jiǎn)要介紹一下HiPER裝置的最新設(shè)計(jì)進(jìn)展。

表2 NIF，LMJ和HiPER裝置的主要特征

4.1 激光驅(qū)動(dòng)器

HiPER項(xiàng)目最具挑戰(zhàn)的技術(shù)難點(diǎn)之一就是激光驅(qū)動(dòng)器。激光驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)必須滿足未來HiPER裝置運(yùn)行的所有要求。比如，為實(shí)現(xiàn)裝置的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行并具備商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，聚變靶的能量增益G滿足G＞10/η，其中 η是激光驅(qū)動(dòng)器能量效率。如果η=0.1，那么 G ＞100［10］。為達(dá)到如此高的能量增益，HiPER項(xiàng)目擬采用激光驅(qū)動(dòng)快點(diǎn)火方案或沖擊點(diǎn)火方案，盡可能在較少的激光總能量下，實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火和高能量增益。這兩種方案均通過壓縮和點(diǎn)火兩個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)靶丸聚變?nèi)紵?。雖然兩種點(diǎn)火方案采用相同壓縮脈沖，但點(diǎn)火脈沖有顯著不同。表3中列出了兩種點(diǎn)火方式對(duì)HiPER驅(qū)動(dòng)器提出的輸出要求［11-12］。

表3 兩種點(diǎn)火方式對(duì)HiPER激光驅(qū)動(dòng)器的要求

在HiPER的概念設(shè)計(jì)中，每束激光光束由若干的激光束線(也稱為子束)構(gòu)成，具體數(shù)量與放大器的設(shè)計(jì)相關(guān)。束線尺寸則由能承受高平均功率的光學(xué)元件(如二極管抽運(yùn)放大器、頻率轉(zhuǎn)換晶體等)的尺寸決定。一定數(shù)量的束線在進(jìn)入靶室之前耦合形成單個(gè)光束。所有光束通過終端光學(xué)組件(final optics assembly，F(xiàn)OA)最終匯聚到5m靶室中心的毫米級(jí)燃料靶丸上，驅(qū)動(dòng)靶丸內(nèi)爆點(diǎn)火和聚變?nèi)紵?。這種束組設(shè)計(jì)有利于焦斑調(diào)節(jié)、光學(xué)變焦和脈沖整形。但概念設(shè)計(jì)中沒有對(duì)子束加以詳細(xì)討論。

2011年，歐洲物理學(xué)家GARREC(法國(guó)原子能委員會(huì))、NOVARO(英國(guó)盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室)、TYLDESLEY(西班牙核聚變研究所)、RUS(捷克物理研究所)等人在對(duì)HiPER激光系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究與計(jì)算之后，給出了HiPER的子束能量、子束總數(shù)量以及構(gòu)成單束光的子束數(shù)量等關(guān)鍵參量，如表4所示［11］。表4中的結(jié)果基于以下的工程假設(shè):(1)子束口徑為12cm×12cm或14cm×14cm方型;(2)一倍頻時(shí)最大激光損傷通量不超過10J/cm2;(3)近場(chǎng)調(diào)制深度接近2;(4)三次諧波產(chǎn)生效率為50%;(5)啁啾脈沖放大(chirped pulse amplifacation，CPA)技術(shù)用于15ps的快點(diǎn)火或400ps的沖擊點(diǎn)火。

HiPER激光驅(qū)動(dòng)器還必須具備高重復(fù)工作頻率(約10Hz)和高的電光轉(zhuǎn)換效率(約15% ～20%)。NIF或LMJ“單發(fā)”技術(shù)不能滿足這種高頻率的要求［13］?，F(xiàn)有的基于閃光燈的高重復(fù)率激光技術(shù)也達(dá)不到HiPER所需的效率水平。HiPER項(xiàng)目將采用二極管抽運(yùn)固體激光器(diode pump solidstate laser，DPSSL)技術(shù)，但目前這種技術(shù)仍不成熟，而且按現(xiàn)今的價(jià)格而言，應(yīng)用到HiPER裝置上將導(dǎo)致成本非常之高。此外，用于高平均功率的大口徑光學(xué)器件的有效性、運(yùn)行與性能及其相關(guān)技術(shù)尚不明晰，能滿足HiPER技術(shù)需求的工業(yè)技術(shù)成熟度也不具備。這些都需要在技術(shù)開發(fā)階段確定下來。

表4 用于內(nèi)爆壓縮和點(diǎn)火的子束數(shù)量

4.2 主放大器

HiPER的主放大器是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器高重復(fù)頻率、高平均功率激光輸出的關(guān)鍵部件。實(shí)現(xiàn)高重復(fù)率、高平均功率意味著主放大器的激光介質(zhì)要承受很高的熱載荷和具備長(zhǎng)工作壽命。對(duì)于工作頻率10Hz的千焦耳級(jí)的放大器來說，其平均功率達(dá)到10kW。若取典型的15% ±5%抽運(yùn)效率，放大至1kJ需要5kJ～10kJ的抽運(yùn)能量。假設(shè)激光二極管板條峰值功率500W(1ms脈寬)，則每個(gè)千焦級(jí)放大器需要10000到20000個(gè)激光二極管板條。若抽運(yùn)時(shí)間為1ms，10Hz重復(fù)率意味著激光二極管板條工作占空比為1%。這表明主放大器的增益介質(zhì)工作壽命和熱管理技術(shù)將成為關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容。目前，有多種HiPER主放大器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處在研究階段，但最終方案尚無定論［10，14-16］。

HiPER裝置有可能采用類似于NIF或LMJ的多通雙放大器結(jié)構(gòu)。其工作原理如圖5所示，低能光脈沖從右側(cè)進(jìn)入后，將在兩個(gè)放大器間來回折返通過，其能量將逐漸被放大，最后成為高能光脈沖向外輸出。為了改善激光介質(zhì)熱管理，保持增益介質(zhì)有較高的抽運(yùn)效率，增益介質(zhì)(Yb∶YAG或Yb∶Ca)加工成薄板形態(tài)并堆疊在一起，冷卻氣體(低溫氦氣)從薄板間縫隙流過，從而帶走大量的熱。

圖5 多通雙抽運(yùn)放大器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

另一種設(shè)計(jì)方案被稱為有源反射鏡。法國(guó)的應(yīng)用光學(xué)實(shí)驗(yàn)室正在開展這方面的研究。其原理如圖6所示，低能光脈沖從右側(cè)呈斜角進(jìn)入增益介質(zhì)，再以相同斜角從增益介質(zhì)背面反射出來，因而被兩次放大。抽運(yùn)光從增益介質(zhì)法線射入增益介質(zhì)［15］。

圖6 低能脈沖兩次(入射和反射)通過增益介質(zhì)

圖7 是由6個(gè)放大模塊組成的Z字形放大器組。激光光束從進(jìn)入鏈路到被可變形鏡(見圖左側(cè))反射回來，光束通過鏈路2次，被每個(gè)放大器模塊放大4次。

此外，法國(guó)應(yīng)用光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的專家MOUROU還提出了基于大量光纖激光疊加從而產(chǎn)生高能光束的設(shè)計(jì)方案［17］(見圖8)。法國(guó)原子能委員會(huì)目前正在開展這方面的研究。該設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)在于激光的安全性和系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)。放大系統(tǒng)將基于二極管抽運(yùn)光纖激光器，但由于每根光纖輸出能量有限，若滿足HiPER裝置的輸出要求，整個(gè)放大系統(tǒng)需要海量的光纖(數(shù)以百萬計(jì))。目前，單光纖的激光能量、光纖總數(shù)量和熱管理規(guī)模等問題是研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

圖7 放大器鏈路布局

圖8 光纖驅(qū)動(dòng)聚變裝置假想圖

4.3 聚變靶室(或反應(yīng)堆)

NIF裝置和LMJ裝置各擁有一個(gè)直徑10m的鋁制靶室。靶室上下2個(gè)半球球面不同方位角開有大量激光入射口，以確保激光光束能均勻輻照靶丸表面，而球型靶室中部的環(huán)形區(qū)域開有診斷口，預(yù)留給各類實(shí)驗(yàn)診斷設(shè)備。相較而言，HiPER靶室的設(shè)計(jì)將與前兩者有所不同，這主要是因?yàn)椋?1］:(1)HiPER裝置是一個(gè)高重復(fù)率工作的系統(tǒng)(約10Hz)，而NIF 和 LMJ每天僅幾發(fā)次的打靶［10，13］，不同的輻射水平對(duì)靶室的設(shè)計(jì)有很大影響，無論HiPER裝置未來是用來演示系統(tǒng)高重復(fù)頻率運(yùn)行的能力，還是作為電站持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，都需要詳細(xì)研究與論證;(2)HiPER靶室設(shè)計(jì)需要考慮打靶碎片的處理和靶室真空性的保持，避免入射的激光光束受到散射和衰減;(3)點(diǎn)火方式不同，則光束數(shù)量和入射角度也不同，這對(duì)靶室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大影響;(4)燃料靶丸注入機(jī)制和靶丸的跟蹤/鎖定流程對(duì)靶室設(shè)計(jì)有影響;(5)診斷裝置的類型、大小和位置也對(duì)靶室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有影響。

HiPER靶室設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是靶室腔壁(第一壁)的輻射防護(hù)。由于第一壁直接面對(duì)核反應(yīng)產(chǎn)物的轟擊，承受爆炸產(chǎn)生的脈沖式輻射和脈沖式應(yīng)力(周期約0.1s)的作用，必須加以防護(hù)保證其使用壽命。目前，聚變反應(yīng)堆第一壁的設(shè)計(jì)方案有干壁、濕壁兩種，如美國(guó)的激光聚變能(laser inertial fusion energy，LIFE)概念設(shè)計(jì)采用干壁，而日本的快點(diǎn)火激光聚變反應(yīng)堆KOYO-F則采用濕壁。出于對(duì)靶室內(nèi)靶丸生存(輻射環(huán)境影響)和激光入射(散射或衰減影響)的考慮，便于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)激光脈沖間的工況復(fù)原，允許有較高的脈沖重復(fù)率，HiPER裝置考慮采用干壁方案。這就需要為第一壁開發(fā)新型材料。該材料應(yīng)能夠承受強(qiáng)輻射和高熱載荷，導(dǎo)熱快，不易產(chǎn)生空位聚集，利于氦氣的釋放。

表5中給出了HiPER靶室的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。由于運(yùn)行方式的不同，HiPER靶室存在兩種設(shè)計(jì)(A型/B型)，它們?cè)诩夹g(shù)細(xì)節(jié)上有許多不同之處，其中包括第一壁材料、光學(xué)元件(位置)、運(yùn)行維護(hù)以及事故處置方面［18］。

表5 HiPER靶室的設(shè)計(jì)指標(biāo)

圖9是HiPER A型靶室的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于它僅進(jìn)行高重復(fù)頻率打靶的技術(shù)驗(yàn)證，因而并不包有包層結(jié)構(gòu)。在靶區(qū)中間的是球型靶室，它的外面有3個(gè)輻射屏蔽層，即靶室屏蔽層、終端光學(xué)組件屏蔽層和生物屏蔽層。這3個(gè)屏蔽層將整個(gè)靶區(qū)空間由里向外分為3個(gè)區(qū):區(qū)域一(靶室屏蔽層與終端光學(xué)組件屏蔽層之間)、區(qū)域二(終端光學(xué)組件屏蔽層與生物屏蔽層之間)和區(qū)域三(生物屏蔽層以外)。區(qū)域一內(nèi)建有維修軌道，區(qū)域二設(shè)有終端光學(xué)組件。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，這兩個(gè)區(qū)域是禁區(qū)。區(qū)域三是永久非隔離區(qū)，與外界相通。

圖10中給出了A型靶室的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。靶室內(nèi)壁是10cm的SS304合金鋼，外面包裹40cm厚的硼酸水泥屏蔽層。束管是激光光束進(jìn)入靶室的通道，它由壁厚1cm的SS304合金鋼管構(gòu)成，內(nèi)部安裝有各種光學(xué)部件，如可更換透鏡、FOA等。終端光學(xué)組件的作用是:頻率轉(zhuǎn)換、波長(zhǎng)分離和聚焦光束到靶室中心。為了盡可能減少聚變輻射和爆炸碎片對(duì)終端光學(xué)組件的損傷，采用可更換透鏡、管內(nèi)屏蔽層、FOA屏蔽層等設(shè)計(jì)措施，同時(shí)將FOA置于盡可能遠(yuǎn)離靶室中心的位置(d=19m)。表6中是A型靶室的主要設(shè)計(jì)參量。

圖9 HiPER裝置A型靶室結(jié)構(gòu)圖

圖10 HiPER A型靶室結(jié)構(gòu)圖

圖11 是B型靶室的總體結(jié)構(gòu)，與A型靶室大體類似，含1個(gè)靶室和3個(gè)防護(hù)區(qū)。B型靶室含有包層結(jié)構(gòu)，它不僅能利用14MeV中子去增殖氚，以維持氘-氚反應(yīng)中氚的消耗，而且將聚變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量以及氚增殖產(chǎn)生的熱量，通過冷卻劑熱循環(huán)帶出靶室，加熱水變?yōu)檎羝苿?dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。目前，提出了LiPb單冷卻劑系統(tǒng)或者LiPb/He雙冷卻劑系統(tǒng)。包層的設(shè)計(jì)正處在實(shí)驗(yàn)研究中。關(guān)于第一壁結(jié)構(gòu)材料，正在探索以下幾種，相關(guān)實(shí)驗(yàn)在羅森多夫離子物理研究所和魯文大學(xué)進(jìn)行:(1)納晶鎢和納米金剛石;(2)碳和鎢基泡沫;(3)基于碳纖維、碳納米管的錐型結(jié)構(gòu)。

表6 HiPER A型靶室的主要設(shè)計(jì)參量

圖11 HiPER B型靶室結(jié)構(gòu)圖

5 HiPER項(xiàng)目的國(guó)際合作

開展廣泛的國(guó)際技術(shù)合作對(duì)HiPER項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。通過努力，HiPER項(xiàng)目吸引了眾多國(guó)家或地區(qū)的實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)團(tuán)體、工業(yè)界和政府機(jī)構(gòu)參與其中，其正式或非正式合作方已遍布?xì)W洲、亞洲和北美洲［1-2］，其中包括歐盟委員會(huì)、英、法、德、俄、西等12個(gè)國(guó)家和組織。

約有半數(shù)正式合作方參與資金和行政管理，幾乎所有的正式合作方都提供資金以推動(dòng)HiPER項(xiàng)目發(fā)展。HiPER項(xiàng)目管理將有效權(quán)衡合作方之間的行政管理與學(xué)術(shù)研究活動(dòng)，在確保重要決策順利實(shí)施的同時(shí)，成功解決各類技術(shù)難題。在項(xiàng)目籌備期間已形成了各方實(shí)力均衡的項(xiàng)目管理體系。下面介紹HiPER項(xiàng)目幾個(gè)主要?dú)W洲合作伙伴的大致情況［2］。

5.1 歐盟委員會(huì)

歐盟委員會(huì)曾為HiPER準(zhǔn)備期項(xiàng)目的締約方。然而，由于準(zhǔn)備期項(xiàng)目進(jìn)展期間不斷擴(kuò)展的合作伙伴關(guān)系，HiPER項(xiàng)目與歐盟委員會(huì)之間已不再是傳統(tǒng)的客戶-供應(yīng)商關(guān)系，而是形成地位平等、積極參與的合作體制。歐盟委員會(huì)為HiPER項(xiàng)目任務(wù)在行政和戰(zhàn)略方面提出眾多建設(shè)性意見，并為此項(xiàng)目與其它歐洲機(jī)構(gòu)開展合作打下良好的基礎(chǔ)。

5.2 英國(guó)

英國(guó)科學(xué)技術(shù)設(shè)施委員會(huì)(Science and Technology Facilities Council，STFC)為HiPER項(xiàng)目做出了重大貢獻(xiàn)。作為項(xiàng)目投資方，科技設(shè)施委員會(huì)主要負(fù)責(zé)英國(guó)重要科技設(shè)施的全面戰(zhàn)略投資管理?？茖W(xué)技術(shù)設(shè)施委員會(huì)擁有多處大型基礎(chǔ)設(shè)施，包括世界一流的激光裝置——中心激光裝置。STFC已正式批準(zhǔn)HiPER項(xiàng)目使用中心激光裝置進(jìn)行相關(guān)科學(xué)研究。

5.3 法國(guó)

法國(guó)在HiPER項(xiàng)目中的地位至關(guān)重要。法國(guó)兩大供資機(jī)構(gòu)，即原子能委員會(huì)和國(guó)家科研中心均為項(xiàng)目正式合作伙伴，并全面參與高層次交往協(xié)作。它們不僅積極參與HiPER項(xiàng)目的技術(shù)和行政管理，還將為項(xiàng)目開發(fā)提供人力、信息、技術(shù)、資金等關(guān)鍵支持。過去十幾年間，法國(guó)原子能委員會(huì)研制激光集成線并耗資數(shù)十億歐元開發(fā)LMJ激光裝置。這兩大裝置維持了法國(guó)在HiPER項(xiàng)目中的專業(yè)領(lǐng)先地位。HiPER項(xiàng)目將廣泛借鑒這兩大裝置的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。另外，原子能委員會(huì)正在建造PETAL激光裝置，它將作為HiPER項(xiàng)目的一臺(tái)中等規(guī)模的技術(shù)驗(yàn)證裝置，成為HiPER項(xiàng)目的戰(zhàn)略發(fā)展道路上不可或缺的一環(huán)。法國(guó)應(yīng)用光學(xué)實(shí)驗(yàn)室有全球最先進(jìn)的激光-等離子體物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，獲得該實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和專業(yè)技術(shù)的支持對(duì)于降低HiPER項(xiàng)目技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)同樣也至關(guān)重要。

5.4 俄羅斯

俄羅斯科學(xué)院下屬的應(yīng)用物理研究所(Institute of Applied Physics，IAP)和列別捷夫物理研究所(Lebedev Physical Institute，LPI)量子放射物理學(xué)部是HiPER項(xiàng)目的正式合作伙伴。HiPER項(xiàng)目可通過兩大研究所獲取俄羅斯科學(xué)院的豐富科研資源，尤其是先進(jìn)的大口徑激光技術(shù)(IAP負(fù)責(zé))以及靶丸設(shè)計(jì)和制造技術(shù)(LPI負(fù)責(zé))。

此外，HiPER項(xiàng)目還與美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)通用原子公司、中國(guó)科技大學(xué)、中國(guó)上海交通大學(xué)、中國(guó)上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、韓國(guó)原子能研究所、日本大阪大學(xué)激光工程研究所、加拿大艾伯塔大學(xué)外國(guó)科研機(jī)構(gòu)保持著良好的交流和聯(lián)系。

6 結(jié)論

HiPER項(xiàng)目是一個(gè)泛歐合作的大型激光基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，其設(shè)計(jì)意圖是發(fā)展激光驅(qū)動(dòng)的慣性聚變能源，使歐洲在慣性聚變能的研究領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，同時(shí)借助HiPER激光裝置所提供的極端物態(tài)條件，使其在極端狀態(tài)科學(xué)研究具備其它國(guó)家沒有的能力。HiPER項(xiàng)目研發(fā)周期長(zhǎng)、技術(shù)復(fù)雜度高、實(shí)施難度大，是名符其實(shí)的大科學(xué)、大工程，具有很強(qiáng)的前沿性、探索性和風(fēng)險(xiǎn)性。通過上述對(duì)HiPER項(xiàng)目多角度的描述，可以得出以下一些結(jié)論:

(1)HiPER項(xiàng)目規(guī)劃與管理十分有效，整個(gè)項(xiàng)目系統(tǒng)地、分階段地組織實(shí)施。

(2)技術(shù)路線比較明確，采用了二極管激光抽運(yùn)、長(zhǎng)壽命增益介質(zhì)、主動(dòng)熱管理技術(shù)。

(3)設(shè)計(jì)預(yù)案多樣化，往往有多種方案同時(shí)展開預(yù)研。

(4)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)積極進(jìn)行探索和驗(yàn)證，如放大器結(jié)構(gòu)、增益介質(zhì)的選擇。

(5)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理意識(shí)強(qiáng)，分?jǐn)傢?xiàng)目技術(shù)開發(fā)成本，充分借鑒成熟技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，努力控制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

(6)成功地運(yùn)用國(guó)際協(xié)作模式，形成了大范圍、深層次的國(guó)際合作網(wǎng)絡(luò)。

毫無疑問，HiPER項(xiàng)目的這些特點(diǎn)，對(duì)促進(jìn)整個(gè)項(xiàng)目的順利實(shí)施起到了關(guān)鍵作用。本文中對(duì)HiPER的研制背景、項(xiàng)目規(guī)劃、項(xiàng)目管理、技術(shù)進(jìn)展、對(duì)外合作等多個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，力圖全面地反映出整個(gè)HiPER項(xiàng)目的總體情況，對(duì)從事大型激光裝置及聚變能的工程研發(fā)人員與項(xiàng)目管理人員有一定的參考借鑒作用。

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