激光聚变能源驱动器概念研究及核心技术探索
[Abstract]:Laser fusion energy research is not only the frontier of human exploration of new energy, but also the hope of getting rid of the energy shortage, developing safely, carbon-free and sustainable ideal energy. Due to the high efficiency and high repetition rate of laser driver in fusion energy application, high energy and average power solid-state laser pumped by laser diode has been paid more and more attention. And become the future of commercial laser fusion energy driver one of the candidates. However, the amplification of spontaneous emission and thermal effect in the core unit amplifier, as well as the overall technical scheme of the amplifier system, are still the key challenges to improve the energy conversion efficiency and repetition rate of the device. Therefore, based on the structure of laser diode end-pumped laminated amplifier, three topics of amplifying spontaneous emission effect, thermal effect and system configuration design are studied in this paper. The concept of laser fusion energy driver is explored. Firstly, based on the theory of Yb ion pumping and amplification dynamics and Cr4: YAG saturation absorption equation, the three-dimensional numerical model of energy storage, thermal deposition and amplification process of laminated amplifier is established by using Monte Carlo and ray tracing method. The amplified spontaneous emission effect and control of the amplifier are studied. Then, two novel amplifiers are proposed, which are gradually doped and spaced doped laminated amplifiers. The suppression of the ASE effect is revealed from the requirements of gain medium, energy storage characteristics, thermal deposition, energy output and so on. Aiming at the influence of thermal effect on amplifier performance, the thermal effect and thermal management technology of laminated amplifier are studied in this paper. Based on the theoretical basis of thermal effect and the theoretical model of fluid-solid conjugate heat transfer, a three-dimensional thermodynamics finite element model and a thermal-fluid-solid coupling finite element model for laminated amplifiers are established under the condition of uniform heat dissipation and low temperature helium cooling. The requirements of the amplifier for helium temperature, heat transfer coefficient, pressure and velocity are given respectively, in order to cool the laser plate and control the thermal effect in the medium. In addition, 90. 5% was explored. The effect of quartz rotor and multilayer Cr4: YAG on the compensation of thermal birefringence in amplification link is very good. On the basis of the first two topics, based on the limited conditions of the optimal design of fusion energy driver, the calibration amplification ability of the laminated amplifier is studied from the optimization of the amplifier unit and the configuration of the system. The energy flow characteristics of LIFE and double pulses, bidirectional transmission amplification configuration and the limit output capability of the latter configuration are compared and analyzed. It is shown that the double pulse and bidirectional transmission amplification configuration can obtain high extraction efficiency at low flux, thus reducing damage and nonlinear effect, and relaxing the requirement of preamplifier.
【学位授予单位】:中国工程物理研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN722
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,本文编号:2362635
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