eng
Выпуск #3/2014
А.Гайосо де лос Сантос, З.Павлова, А.Темников, А.Федоров
Источники питания лазеров с диодной накачкой для лазерного термоядерного синтеза
Источники питания лазеров с диодной накачкой для лазерного термоядерного синтеза
Просмотры: 9560
Повышение энергетики лазеров с диодной накачкой ведет к увеличению числа матриц лазерных диодов в каждом канале лазера. Разработан источник для питания диодных матриц, подключенных последовательно.
Теги: diode laser pumps laser fusion power lasers electric supply диодные лазеры для накачки электропитания мощных лазеров лазерный термоядерный синтез
Идея использовать высокоэнергетический лазер для зажигания термоядерного горючего излучением принадлежит советским академикам Николаю Геннадиевичу Басову и Олегу Николаевичу Крохину [1,2 ].
Ряд уникальных свойств, которыми обладают лазеры, позволили применить их в качестве источника концентрированной энергии для инициирования термоядерных реакций. Это, во-первых, дает возможность создать в фокусе лазерного луча высокую плотность потока энергии, что, соответственно, ведет к сверхмощному удельному энерговыделению, достаточному для ионизации материала мишени и получения плазмы. Во-вторых, отсутствие механической связи между лазером и мишенью позволяет расположить выходные каскады лазерных систем на расстоянии в несколько десятков метров от локализации термоядерных микровзрывов. Таким образом, появилась возможность подвести к мишени огромную мощность, не вызывая разрушения конструкционных материалов установки. В-третьих, конструкция лазера может обеспечить высокую контрастность излучения, то есть большое отношение энергии полезного сигнала к энергии шума. Ведь хорошо известно, что при функционировании ультрамощных лазеров по разным причинам возникает фоновое шумовое излучение разичной длительности. И, как любое излучение, находящееся во всякой усилительной системе, оно может привести к предварительному нагреву и разрушению материала мишени до прихода основного импульса [3].
В ведущих центрах Советского Союза – ФИАН, ФИАЭ (ТРИНИТИ), ВНИИЭФ, ГОИ им.С.И.Вавилова, НИИЭФА им.Д.В.Ефремова были начаты работы по созданию экспериментальных установок для проведения исследований процессов взаимодействия лазерного излучения высоких энергий с веществом и решения проблем лазерного термоядерного синтеза (ЛТС). 2009 год ознаменовал собой новый виток в развитии установок, предназначенных для ЛТС [4, 5]. В Ливерморской лаборатории США была запущена 192-пучковая лазерная установка National Ignition Facility (NIF) с выходной энергией 1,8 МДж. Аналогичная установка Laser Mega Joule (LMJ) во Франции планируется к завершению в 2014 году. Предшественниками NIF и LMJ были: Nova и Omega (США), Vulcan (Великобритания), FIREX (Япония), SG (Китай), а также фотодиссоционная йодная установка Искра-5 (Россия) [2]. К 2020 году Россия планирует построить лазерную установку мегаджоулевого класса УФЛ2М (рис.1).
В лазерных установках, функционирующих на данный момент, для демонстрационных экспериментов зажигания выбрана наиболее надежная, но наименее эффективная схема непрямого сжатия c преобразованием лазерного излучения в рентгеновское. Она обеспечивает наилучшую однородность облучения и устойчивость сжатия мишеней. Для генерации энергии предпочтение отдают прямому сжатию. В такой схеме коэффициент усиления в мишенях достигает величины ~100 при полной энергии около 2 МДж, с учетом того, что КПД лазера должен быть ≥6–7%. Лазер-драйвер для удовлетворения технических и экономических требований к энергетической установке должен бесперебойно работать с частотой повторения импульсов ≥5 Гц в течение 2 лет, произведя ≥3 ∙ 108 импульсов. Наиболее перспективными для решения данной задачи являются твердотельные лазеры с диодной накачкой (Diode Pumped Solid State Lasers – DPSSL) и газовые KrF-лазеры с накачкой релятивистским электронным пучком. Эти лазеры обладаюют необходимой высокой эффективностью и могут быть масштабированы до требуемых энергий [6].
Очевидно, что одно из наиболее эффективных решений создания высокомощных твердотельных лазеров состоит в многоканальном принципе их построения. Лазер в этом случае "набирается" в виде решетки идентичных каналов, в каждом из которых происходит лазерная генерация. Малое поперечное сечение каналов позволяет эффективно и просто осуществить накачку энергии в активную среду и отвод тепла из ее объема. По такой схеме построен 100-кВт лазер фирмы "Northrop Grumman" [4]. Основные принципы построения систем электропитания многоканальных лазеров с диодной накачкой были рассмотрены нами ранее [см. журнал Фотоника, 2014, №1 (43)].
Повышение энергетики лазеров с диодной накачкой ведет к тому, что при проектировании лазерных установок возрастает количество матриц лазерных диодов (МЛД) в каждом канале лазера. Тут же возникают проблемы подключения бóльшего количества матриц к источнику питания (ИП), обслуживающему лазерный канал. Схемные решения, которые использует на данный момент компания ООО "ФЕДАЛ" при производстве серийной продукции, основаны на частичном разряде емкостного накопителя энергии (ЕНЭ). Это приводит к ограничению падения напряжения на последовательно включенных матрицах. Компактность ИП с ЕНЭ достигается во многом за счет выбора электролитических конденсаторов в качестве накопителя. Максимальное рабочее напряжение такого вида конденсаторов лимитировано величиной 450 В, что, в свою очередь, накладывает ограничение на возможность использовать большое количество МЛД, подключаемых к ИП последовательно. Если воспользоваться пленочными полипропиленовыми конденсаторами, это вызывает увеличение значения возможного падения напряжения на МЛД. Но такое решение приведет к неизбежной необходимости работать с ИП значительно больших размеров. Да и с точки зрения повышения безопасности увеличение напряжения в накопителе ИП нежелательно.
Существует решение, позволяющее подключать МЛД параллельно, но тут возникает затруднение – необходимо выравнивание их по току. Компания FEDAL решила эту техническую задачу и разработала устройство для выравнивания тока на 3, 6 и 9 матриц (PLD 100), которое с успехом применяется. Но порой возникают ситуации, когда для реализации проекта требуется установить еще большее количество МЛД. Однако, как показали результаты экспериментов, проведенных сотрудниками компании, с ростом количества матриц, подключаемых к устройству, понижается стабильность выравнивания тока. И, в конце концов, подключение большого количества МЛД к устройству PLD 100 может значительно снизить общий КПД источника питания.
Для устранения проблемы, возникшей на пути реализации технического решения, компания приступила к разработке ИП, основанный на частичном разряде индуктивного накопителя энергии (ИНЭ). ИП такого типа обладает выходной характеристикой источника тока что идеально подходит для питания нагрузки с нелинейной вольт-амперной характеристикой. При использовании этого источника, ток в нагрузке не зависит от количества последовательно включеных МЛД. Принятое инженерное решение оказалось верным в пределах средней выходной мощности, на которую рассчитан ИП. Использование ИП с ИНЭ исключает необходимость применения конденсаторов большой емкости.
Однако большим недостатком ИП с ИНЭ остается крайне низкий КПД. Для улучшения этого показателя можно принять меры – например, существенно снизить омическое сопротивление накопителя. Но обычно это приводит к огромным экономическим затратам из-за включения в конструкцию устройства элементов охлаждения до предельно низких температур. Другой путь повышения КПД предусматривает использование ИНЭ с рекуперацией энергии в момент паузы между импульсами. Схемное решение, обеспечивающее такой режим, было разработано, промоделировано и реализовано в макетном исполнении. Положительные результаты, полученные при испытаниях на макете, позволили начать подготовку к серийному производству ИП, работающих на описанном принципе (рис.2). На разработанные в процессе создания ИП схемные решения компания FEDAL получила три патента.
Расчет КПД преобразователя показал, что при питании от трехфазной сети система имеет достаточный КПД – 70%. Его с легкостью можно увеличить при условии использования повышающего преобразователя для заряда буферной емкости. По нашим оценкам, в таком случае расчетный КПД схемы может достичь 91%. При этом КПД ИП не зависит от частоты следования импульсов, что немаловажно для заказчиков.
Прямоугольная форма импульса достигается применением пассивной корректирующей цепи. Данное решение лишено недостатков активной коррекции, которые могут проявляться при больших мощностях. Импульс тока, полученный на макете ИП, представлен на рис.3.
Разработанный ИП предназначен для питания диодных матриц, подключенных последовательно. Суммарное падение напряжения на МЛД ограничено только элементной базой и габаритами источника. Существующие в свободном доступе ключевые элементы обеспечивают выходной ток 90 А при падении напряжения на нагрузке до 1200 В.
Литература
Басов Н.Г.и др. Физика лазерного термоядерного синтеза. – М.: Знание, 1988.
Гаранин С.Г. И все-таки мы его зажжем.– Атомная стратегия, 2011, №55, с.22–23.
Sangster T.C. et al. – Nucl. Fusion, 2007, 47, S686.
Moses E.I. – IFSA 2009 Program, Sep. 6–11, 2009, San Francisco, USA, p.175.
Lion C., Ebrardt J. – IFSA 2009 Program, Sep. 6–11, 2009, San Francisco, USA, p.177.
Зворыкин В.Д. Импульсно-периодические DPSSL и KrF лазерные драйверы для энергетических установок на основе термоядерного синтеза. – Материалы XXXVII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2010.
Ряд уникальных свойств, которыми обладают лазеры, позволили применить их в качестве источника концентрированной энергии для инициирования термоядерных реакций. Это, во-первых, дает возможность создать в фокусе лазерного луча высокую плотность потока энергии, что, соответственно, ведет к сверхмощному удельному энерговыделению, достаточному для ионизации материала мишени и получения плазмы. Во-вторых, отсутствие механической связи между лазером и мишенью позволяет расположить выходные каскады лазерных систем на расстоянии в несколько десятков метров от локализации термоядерных микровзрывов. Таким образом, появилась возможность подвести к мишени огромную мощность, не вызывая разрушения конструкционных материалов установки. В-третьих, конструкция лазера может обеспечить высокую контрастность излучения, то есть большое отношение энергии полезного сигнала к энергии шума. Ведь хорошо известно, что при функционировании ультрамощных лазеров по разным причинам возникает фоновое шумовое излучение разичной длительности. И, как любое излучение, находящееся во всякой усилительной системе, оно может привести к предварительному нагреву и разрушению материала мишени до прихода основного импульса [3].
В ведущих центрах Советского Союза – ФИАН, ФИАЭ (ТРИНИТИ), ВНИИЭФ, ГОИ им.С.И.Вавилова, НИИЭФА им.Д.В.Ефремова были начаты работы по созданию экспериментальных установок для проведения исследований процессов взаимодействия лазерного излучения высоких энергий с веществом и решения проблем лазерного термоядерного синтеза (ЛТС). 2009 год ознаменовал собой новый виток в развитии установок, предназначенных для ЛТС [4, 5]. В Ливерморской лаборатории США была запущена 192-пучковая лазерная установка National Ignition Facility (NIF) с выходной энергией 1,8 МДж. Аналогичная установка Laser Mega Joule (LMJ) во Франции планируется к завершению в 2014 году. Предшественниками NIF и LMJ были: Nova и Omega (США), Vulcan (Великобритания), FIREX (Япония), SG (Китай), а также фотодиссоционная йодная установка Искра-5 (Россия) [2]. К 2020 году Россия планирует построить лазерную установку мегаджоулевого класса УФЛ2М (рис.1).
В лазерных установках, функционирующих на данный момент, для демонстрационных экспериментов зажигания выбрана наиболее надежная, но наименее эффективная схема непрямого сжатия c преобразованием лазерного излучения в рентгеновское. Она обеспечивает наилучшую однородность облучения и устойчивость сжатия мишеней. Для генерации энергии предпочтение отдают прямому сжатию. В такой схеме коэффициент усиления в мишенях достигает величины ~100 при полной энергии около 2 МДж, с учетом того, что КПД лазера должен быть ≥6–7%. Лазер-драйвер для удовлетворения технических и экономических требований к энергетической установке должен бесперебойно работать с частотой повторения импульсов ≥5 Гц в течение 2 лет, произведя ≥3 ∙ 108 импульсов. Наиболее перспективными для решения данной задачи являются твердотельные лазеры с диодной накачкой (Diode Pumped Solid State Lasers – DPSSL) и газовые KrF-лазеры с накачкой релятивистским электронным пучком. Эти лазеры обладаюют необходимой высокой эффективностью и могут быть масштабированы до требуемых энергий [6].
Очевидно, что одно из наиболее эффективных решений создания высокомощных твердотельных лазеров состоит в многоканальном принципе их построения. Лазер в этом случае "набирается" в виде решетки идентичных каналов, в каждом из которых происходит лазерная генерация. Малое поперечное сечение каналов позволяет эффективно и просто осуществить накачку энергии в активную среду и отвод тепла из ее объема. По такой схеме построен 100-кВт лазер фирмы "Northrop Grumman" [4]. Основные принципы построения систем электропитания многоканальных лазеров с диодной накачкой были рассмотрены нами ранее [см. журнал Фотоника, 2014, №1 (43)].
Повышение энергетики лазеров с диодной накачкой ведет к тому, что при проектировании лазерных установок возрастает количество матриц лазерных диодов (МЛД) в каждом канале лазера. Тут же возникают проблемы подключения бóльшего количества матриц к источнику питания (ИП), обслуживающему лазерный канал. Схемные решения, которые использует на данный момент компания ООО "ФЕДАЛ" при производстве серийной продукции, основаны на частичном разряде емкостного накопителя энергии (ЕНЭ). Это приводит к ограничению падения напряжения на последовательно включенных матрицах. Компактность ИП с ЕНЭ достигается во многом за счет выбора электролитических конденсаторов в качестве накопителя. Максимальное рабочее напряжение такого вида конденсаторов лимитировано величиной 450 В, что, в свою очередь, накладывает ограничение на возможность использовать большое количество МЛД, подключаемых к ИП последовательно. Если воспользоваться пленочными полипропиленовыми конденсаторами, это вызывает увеличение значения возможного падения напряжения на МЛД. Но такое решение приведет к неизбежной необходимости работать с ИП значительно больших размеров. Да и с точки зрения повышения безопасности увеличение напряжения в накопителе ИП нежелательно.
Существует решение, позволяющее подключать МЛД параллельно, но тут возникает затруднение – необходимо выравнивание их по току. Компания FEDAL решила эту техническую задачу и разработала устройство для выравнивания тока на 3, 6 и 9 матриц (PLD 100), которое с успехом применяется. Но порой возникают ситуации, когда для реализации проекта требуется установить еще большее количество МЛД. Однако, как показали результаты экспериментов, проведенных сотрудниками компании, с ростом количества матриц, подключаемых к устройству, понижается стабильность выравнивания тока. И, в конце концов, подключение большого количества МЛД к устройству PLD 100 может значительно снизить общий КПД источника питания.
Для устранения проблемы, возникшей на пути реализации технического решения, компания приступила к разработке ИП, основанный на частичном разряде индуктивного накопителя энергии (ИНЭ). ИП такого типа обладает выходной характеристикой источника тока что идеально подходит для питания нагрузки с нелинейной вольт-амперной характеристикой. При использовании этого источника, ток в нагрузке не зависит от количества последовательно включеных МЛД. Принятое инженерное решение оказалось верным в пределах средней выходной мощности, на которую рассчитан ИП. Использование ИП с ИНЭ исключает необходимость применения конденсаторов большой емкости.
Однако большим недостатком ИП с ИНЭ остается крайне низкий КПД. Для улучшения этого показателя можно принять меры – например, существенно снизить омическое сопротивление накопителя. Но обычно это приводит к огромным экономическим затратам из-за включения в конструкцию устройства элементов охлаждения до предельно низких температур. Другой путь повышения КПД предусматривает использование ИНЭ с рекуперацией энергии в момент паузы между импульсами. Схемное решение, обеспечивающее такой режим, было разработано, промоделировано и реализовано в макетном исполнении. Положительные результаты, полученные при испытаниях на макете, позволили начать подготовку к серийному производству ИП, работающих на описанном принципе (рис.2). На разработанные в процессе создания ИП схемные решения компания FEDAL получила три патента.
Расчет КПД преобразователя показал, что при питании от трехфазной сети система имеет достаточный КПД – 70%. Его с легкостью можно увеличить при условии использования повышающего преобразователя для заряда буферной емкости. По нашим оценкам, в таком случае расчетный КПД схемы может достичь 91%. При этом КПД ИП не зависит от частоты следования импульсов, что немаловажно для заказчиков.
Прямоугольная форма импульса достигается применением пассивной корректирующей цепи. Данное решение лишено недостатков активной коррекции, которые могут проявляться при больших мощностях. Импульс тока, полученный на макете ИП, представлен на рис.3.
Разработанный ИП предназначен для питания диодных матриц, подключенных последовательно. Суммарное падение напряжения на МЛД ограничено только элементной базой и габаритами источника. Существующие в свободном доступе ключевые элементы обеспечивают выходной ток 90 А при падении напряжения на нагрузке до 1200 В.
Литература
Басов Н.Г.и др. Физика лазерного термоядерного синтеза. – М.: Знание, 1988.
Гаранин С.Г. И все-таки мы его зажжем.– Атомная стратегия, 2011, №55, с.22–23.
Sangster T.C. et al. – Nucl. Fusion, 2007, 47, S686.
Moses E.I. – IFSA 2009 Program, Sep. 6–11, 2009, San Francisco, USA, p.175.
Lion C., Ebrardt J. – IFSA 2009 Program, Sep. 6–11, 2009, San Francisco, USA, p.177.
Зворыкин В.Д. Импульсно-периодические DPSSL и KrF лазерные драйверы для энергетических установок на основе термоядерного синтеза. – Материалы XXXVII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2010.
Отзывы читателей
