摘要: 简要地介绍了美国激光惯性约束聚变能源(LIFE)的研究现状与发展前景。基于美国国家点火装置(NIF) 的近期进展，美国利弗莫尔实验室提出了激光惯性约束聚变能源设想，并开始了分解研究。设想用新型二极管泵浦固体激光器产生1.4∼2.0 MJ的激光能量，靶丸聚变增益25∼30，打靶频率10∼15Hz，实现 350∼500 MW 聚变功率，相当于聚变中子源强 1.3×10^20∼1.8×10^20n/s。以此驱动次临界裂变包层，使能量再倍增4∼10倍，实现1 GW电功率的输出。采用创新设计的燃料元件，包层可达到90%以上的燃耗深度，形成一个安全、无碳、燃料资源丰富、核废料少、可持续发展的新型核能源系统。

1 引言

近年来，美国一直在积极探索激光惯性约束聚变，并以此为基础提出了发展激光惯性约束聚变能源( LIFE )，以期尽早为人类提供一条干净、安全、可防核扩散和能可持续发展的核能源。

2010年，美国国家点火装置( NIF )进行了首次综合点火实验，用350 nm波长、能量为1∼1.3 MJ 的激光束，间接驱动中心热斑靶( HSI )聚变。设想聚变能量增益G( 聚变能与驱动激光能之比) 达到10 左右，但未达到预想的结果。之后，NIF一直在改进点火试验设计方案。2012年3月，NIF通过最后一个聚焦透镜的激光能量已达到2.03 MJ，射向靶室的能量已达1.875 MJ。目前正在准备2.0 MJ激光“点火”实验。如果成功，将是激光聚变能源发展的一个新的里程碑。

据分析，实现纯聚变能源要求：激光能量达到2.5 MJ，G为100，打靶频率10 Hz 以上。考虑到纯聚变的困难，美国利弗莫尔实验室提出了聚变裂变混合的LIFE概念，下文的LIFE均为此含义。如图1所示，设想激光能量1.4∼2.0 MJ，打靶频率10∼15 Hz，G 为 25∼30，实现 350∼500 MW 的聚变功率。 在裂变包层内使能量再放大 M ( 约4∼10)倍，可产生2 000 ∼5 000 MW 的热功率，输出电功率1 000∼2 000 MW。 LIFE 采用一次通过的方式，通过长期辐照使包层燃料达到极深燃耗，大大减少核废料，减少核扩散的风险。

2 聚变-裂变系统的构成

2.1 聚变系统

( 1 )激光系统

为实现LIFE的目标，拟开发高能、高功率N玻璃和高能二极管泵浦固体激光技术，以增加激光强度和频率。要求未来电能转换为激光能的效率达到10%∼15%。激光器由 192 路独立的激光束流组成，每束激光束能量为100 kJ量级，波长350 nm，激光束对聚焦点的聚焦要达到最佳的运行状态。激光器件用高速流动的氦气冷却。

(2) 聚变靶

设想用间接驱动方式实现热斑点火( HIS )。高能激光束入射于靶室的内壁上，在高Z 的金属室壁上转换为X光，X光在靶丸上形成内爆压缩激波，内爆压缩有高度的对称性，使靶丸达到高温和高密度。要求在靶球内D-T燃料的中心部位1%内点火，避免中心外燃料混进熱斑，造成熄火。

( 3 )靶室

靶室采用球形设计，半径2.5 m。室壁(即包层第一壁)由低活性纳米结构的氧化奥氏体钢构成，以承受高能中子的辐照损伤。室壁的表面覆以250∼500µm的钨，以承受X射线形成的1 000 K以上的高温。

靶室和光束通道内充以Ar和Kr气体，以吸收大部分X射线，阻止聚变产生的带电粒子。气体在两次内爆之间由激光通道泵出。爆室半径与内爆放能的平方根成正比。爆室外的包层需1 m左右的厚度，以减少中子的漏失。

       LIFE聚变系统要解决的问题是，第一壁材料在高温下不蠕变，能抗辐照损伤，抗肿胀，抗氦脆裂。在高温氟盐作用下，抗腐蚀，不产生裂纹。预计第一壁材料每年的中子辐照损伤为35 dpa (原子平均位移)，商业运行需要开发能耐受150∼300 dpa 的新型材料。第一壁采用液态金属LiPb冷却。

( 4 )聚变靶控制系统

聚变靶控制系统须能以200∼400 m / s 的速度，每天发射10^6∼10^7颗靶丸。要求靶丸以高精度到达靶室中心指定的位置，靶丸测试、跟踪和定位的精度要求也很高。这种精度与弹道导弹防御系统击准太空飞行的弹道导弹相。

激光聚焦点须精确到十分之几微米，并能承受靶室环境内，靶丸内爆残留物的影响。现在已经用代用靶作了实验，靶飞行速度已达400 m/s，发射频率 6Hz，并有很高的重复度。

2.2 裂变包层系统

包层由第一壁、铍增殖层、裂变燃料区以及屏蔽层组成。第一壁和Be要经受强流高能中子的辐照，它们需要定期更换。由于燃料中易裂变核素浓度低，需要在第一壁后布置15 cm厚的铍球床来增殖中子，FliBe熔盐在球床中流过以冷却铍球床。Be的用量成为制约混合堆发展规模的一个重要因素。LIFE大部分能量是裂变区中产生的，必须设计出能实现极高燃耗( 90%以上的原子分数燃耗)、以高功率密度长时间稳定运行的燃料元件。这种设计不需换料，只需在包层裂变燃料消耗殆尽时作一次后处理。随着中子的辐照，易裂变核素浓度会出现先增加后缓慢减小的过程，但在整个寿期内系统的有效增殖系数keff均小于0.9。LIFE包层安全性好，失冷事故下燃料可快速排放到包层外的大型容器中，用自然对流的方式冷却衰变余热。

( 1 )燃料元件的构形

包层中可采用固态燃料或液态熔盐燃料。固体燃料一般采用FliBe熔盐冷却，FliBe同时还是氚增殖剂。FliBe在耐高温的固体燃料球床中流动，将燃料核反应释放的热载带出来。球床循环的速度为0.3 m/d，循环一周所需为时间30 d。燃料入口温度610°，出口温度640°，热电转换效率可达40%以上。熔盐有很高的等体热容量，可达到很高的功率密度，包层可设计得很紧凑。包层示意图详见图2。利弗莫尔实验室推荐了3种固体燃料。

1 )三层均匀结构颗粒型燃料元件

直径1 mm的燃料颗粒弥散在直径2 cm的SiC球囊中。燃料球呈多层结构，称之为TRISO (三层均匀结构)燃料元件。这种燃料元件可承受较高辐照损伤，较高的裂变气体压力，因而可达到较高的燃耗深度。燃耗深度的极限主要取决于包壳、石墨能承受的dpa量。