核反应堆激光器：从裂变到光子

2019年4月20日 星期六

核反应堆激光器：从裂变到光子

核反应堆激光器是一种可以直接从核能产生激光的设备，几乎不需要中间转换步骤。

我们将分析它们的效果，以及它们与传统的电力激光器相比如何。看完这篇文章后，你可能需要重新思考你的太空战争和能量束传输方式。

核能和太空自太空时代之初就紧密相连。裂变能可靠、持久、紧凑且强大。这些特性使其成为航天器的理想选择，因为航天器必须尽可能地提高每公斤质量的利用率和功能，任何额外的质量都会花费数倍于其重量的额外推进剂。它们的目标是具有最高比功率（或功率密度 PD）的设备，这意味着它们每公斤产生的瓦数最多。

激光器使用激光介质，该介质由电源快速供能或“泵浦”。现代激光器使用来自电容器的放电来泵浦气体，或使用流经二极管的电流。电力电源意味着除了核反应堆之外，还需要发电机和低温散热器……这些都会给宇宙飞船带来显著的质量损失。

裂变反应产生 X 射线、中子和高能离子。自从 1960 年红宝石晶体释放出第一批相干波长以来，就存在使用它们来泵浦激光介质的想法。

在 80 年代和 90 年代，特别是在战略防御倡议中，对核泵浦激光器进行了大量研究。如果激光功率可以直接从反应堆产生，则功率密度可能会有显著提高。

在许多情况下，核反应堆激光器的研究结果很有希望，但未能说服美国和俄罗斯政府继续开发。为什么它们没有成功？什么替代设计可以实现其高功率密度激光器的承诺？

NBPLs 和 NRLs 的区别

大多数关于核泵浦激光器的提法都与核弹泵浦激光器有关。Excalibur 项目就是其中的例子：这个想法是使用核装置的输出来用 X 射线轰击金属管，并让它们产生自己的相干光束。

我们将不关注它。

这个概念存在许多问题，使其无法成为传统激光器的有用替代品。首先，你需要消耗一个核弹头，这对易裂变材料来说是一种非常浪费的使用。只有一小部分弹头的 X 射线（向各个方向发射）被金属管拦截。从这些射线中，只有一小部分能量转化为相干 X 射线。如果你将这两个分数相乘，你会发现一个非常低的转换率。

进一步的研究表明，这个比例在<0.00001% 的量级。它也只能工作一微秒，每次发射都会摧毁周围环境，并且其有效范围受到光束相对较差的发散度的限制。这些缺点对于旨在击落突然而大规模的洲际弹道导弹的系统来说是可以接受的，射程在 100 到 1000 公里之间，但对于其他用途来说则不然。

相反，我们将研究核_反应堆_泵浦激光器。这些激光器从受控裂变反应的连续输出中获取能量。

性能

我们讨论效率和功率密度，以比较本文中提到的激光器。我们是如何计算它们的？

对于效率，我们将反应堆的输出乘以激光转换步骤的各个效率，并假设所有低效率都会变成废热。废热由在所有组件的最低温度（通常是激光器本身）下运行的扁平双面散热器面板处理。

这将比从真实世界工程概念中获得的性能略差。散热器的选择受到易于比较的需求的影响，而不是最大化各个设计的性能。

我们将分别用 Er 表示反应堆的效率，El 表示激光器的效率，Ex 表示其他组件的效率。总体效率将为 OE。

在大多数情况下，Er 和 Eh 可以近似等于 1。由于我们正在考虑用于太空的激光器，其输出功率在几兆瓦及以上，因此使用设计的斜率效率比报告的效率更准确。在毫瓦规模的实验室测试中，阈值泵浦功率占主导地位，这会降低输出并降低效率。随着功率的增加，阈值功率在总功率中所占的比例越来越小。

计算多个组件协同工作的功率密度 (PD)，单位为瓦特/千克，要复杂一些。与上述相同，我们将用 PDr、PDl、PDh、PDx 等来表示它们。等式为：

通常，反应堆对设备的总质量的贡献可以忽略不计，因为它在几百千瓦/千克范围内，因此我们可以将等式简化为：

以千瓦/千克为单位输入 PDx、PDl 和 PDh 值会创建一个也以千瓦/千克为单位的 PD 值。

直接泵浦

创建核反应堆激光器的最直接方法是让裂变产物直接与激光介质相互作用。只有气态激光介质（如氙气或氖气）才能在核反应堆内部无限期地生存，但这并没有阻止人们尝试泵浦固体激光介质。

有三种为激光介质供能或泵浦的方法已获得成功。

壁泵浦

壁泵浦使用一个通道，气态激光介质流经该通道，同时被核燃料包围。燃料受到来自附近反应堆的中子的轰击。然后，壁释放出裂变碎片，这些碎片与激光介质中的原子碰撞，并将其能量转移以作为光子释放。这些碎片又大又慢，因此它们不会进入气体中太远，并且倾向于将其能量集中在壁附近。如果通道太宽，则通道中心未触及，并且激光介质泵浦不均匀。这会产生质量非常差的激光。

为了解决这个问题，通道尽可能窄，从而使碎片可以行进的距离更短。然而，这会将产生一定量功率所需的通道数量成倍增加，并且会因具有许多填充有密集易裂变燃料的壁而带来质量损失。

壁会立即吸收它们产生的一半裂变碎片。它们从易裂变燃料壁的两个面释放出幸存的碎片。因此，大部分裂变碎片功率被浪费了。它们也受到燃料熔化温度的限制。如果吸收过多的裂变碎片，热量会导致壁失效，因此高功率输出需要主动冷却。

当使用氙气产生 1733 纳米波长光束时，FALCON 实验实现了 2.5% 的效率。

在相对较低温度下的气体激光实验报告的单波长效率高达 3.6%。Sandia National Laboratory 报告的最佳性能是来自氩气-氙气混合物的 5.6% 效率，产生 1733 纳米激光。

使用其他激光介质（如金属蒸气）产生更短的波长会导致更差的性能（<0.01% 效率）。

从一氧化碳或二氧化碳激光介质中可以获得更高的效率，高达 70% 可能，但它们的波长分别为 5 微米和 10 微米（这使得激光的射程非常短），并且实际效率仅已证实为 0.5%。

本文中提出的一个估计是氦气和氙气的壁泵浦混合物，可将 400 兆瓦的核能转化为 1 兆瓦的激光功率，波长为 1733 纳米。预计质量为 100 吨。这意味着效率为 0.25%，功率密度仅为 10 瓦/千克。

它说明了这样一个事实，即旨在放置在地面的设计不是有用的参考。

美国宇航局的这份报告中的图表显示，直接泵浦核反应堆激光器的总体效率为 10%，功率密度约为 500 瓦/千克，但当包括散热器、屏蔽和其他组件时，降至 200 瓦/千克。

体积泵浦

体积泵浦将氦 3 与气态激光介质混合，以吸收来自反应堆的中子。

中子具有很强的穿透力，可以穿过大量的气体，而氦 3 非常擅长吸收中子。当氦 3 吸收中子时，它会产生带电粒子，这些粒子在相互接触时会激发激光原子。因此，中子可以完全激发整个气体体积。与填充有密集燃料的多个窄通道相比，这种激光泵浦方式的主要优点是大大降低了温度限制以及处理气体所需的更轻的结构。

但是，氦 3 将中子转化为带电粒子的效率非常低，体积泵浦实验报告的总体效率为 0.1% 到 1%。这是因为产生的带电粒子仅包含氦 3 最初接收的能量的一小部分。

半导体泵浦

最后一种成功的泵浦方法是用裂变碎片直接泵浦半导体激光器。效率高达 20%，并且紧凑的激光器可以显著节省质量，但是激光介质很快就会被强烈的辐射破坏。它由位于硅或镓半导体上的高度浓缩铀薄层组成，金刚石既充当减速剂又充当散热器。

关于这种类型的泵浦的详细信息很少。[![](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEiFDp3r1Nz80U_e0QZulraSZSWWbiFU0ratA9Y3fYoY23SDRA6fcgF3u6Inkw7-wrg7xWh8DxA15HI2amjvc2jeabDcLt2mzasL