21世纪新能源的曙光_激光惯性约束核聚变
锂--21世纪能源战略金属
广东化工2021年第5期· 82 · 第48卷总第439期锂─21世纪能源战略金属王晖1*,王毓明2(1.黎明职业大学轻工学院,福建泉州362000;2.华侨大学化学系,福建泉州362000) [摘要]本文简介锂在减少碳排放、寻找非化石能源中扮演着储能、生能和节能的重要角色。
在锂离子电池中大放异彩,在受控核聚变中展露卓越、才能出众,其节能效能惠及四方。
世界对锂的需求量增速惊人,锂资源将处于能源战略的风口浪尖上。
[关键词]锂电子电池;受控核聚变;节能;锂资源[中图分类号]TD865 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2021)05-0082-03Lithium─energy Stratagic Metals in the 21st CenturyWang Hui1*, Wang Yuming2(1. Light Industry College, Liming Vocational University, Quanzhou 362000;2. Department of Chemistry, Huaqiao University, Quanzhou 362000, China)Abstract: This paper briefly introduces that Lithium plays an important role in energy storage, energy generation and energy conservation in reducing carbon emission and searching for non-fossil energy. It’s brilliant in the Lithium - ion battery and outstanding in the controlled nuclear fusion. It’s energy saving efficiency and quartet. The world’s demand for Lithium is growing rapidly, and Lithium resources will be at the forefront of energy strategy.Keywords: Lithium-ion battery;Controlled nuclear fusion;Energy conservation;Lithium resources2019年12月11日发表在《自然》杂志网站的一项气候变化的研究显示,自1992年以来格陵兰冰盖(世界第二大冰盖)减少了3.8万亿吨,导致全球海平面上升10.6毫米,联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,简称IPCC)于2013年预测,到2100年,全球海平面将上升60厘米,每年可能有近4亿人面临沿海洪灾的风险[1-2];科学家预测委内瑞拉安第斯山脉(南美洲有5000多万人依靠安第斯山脉供水)的冰川可能在20年内消失[3]。
惯性约束聚变
惯性约束聚变又称靶丸聚变,为实现受控核聚变的一种途径。
它是利用高功率的脉冲能束均匀照射微球靶丸,由靶面物质的消融喷离产生的反冲力使靶内氘氚燃料快速地爆聚至超高密度(塼103倍氘氚的液态密度)和热核温度(塼10keV),从而点燃的高效率释放聚变能的微型热核爆炸。
在惯性约束聚变中,约束由聚变物质的惯性所提供,聚变反应必须在等离子体以高速(约108cm/s)从反应区飞散前的短暂时间 (约10-10~10-11s)内完成。
所以是一种以短脉冲方式运行的受控核聚变。
通常是采用聚焦的强激光束或高能的带电粒子(电子、轻离子或重离子)束,作为加热与压缩燃料靶丸的驱动器。
所以,又可以将惯性约束聚变分为激光聚变和粒子束(电子、轻离子或重离子束)聚变。
惯性约束聚变研究的长远目标是建成聚变电站,探索受控热核新能源;因其能够产生与核武器中心相近的高能量密度状态,所以又有着较近期的军事上的应用目标,这是指在实验室中研究核武器物理并模拟核爆炸效应;另外,惯性约束聚变形成的高压、高温的物质状态,也能为这些极端条件下的物性研究提供可能。
早在1952年,就已成功地将惯性约束的方式应用于氢弹的热核爆炸;然而,利用激光或带电粒子束照射燃料靶丸而实现惯性约束聚变的建议,是到60年代初激光问世后才提出的。
随后,由于调Q脉冲激光器的出现,开始了激光聚变的研究。
在开始的前10年,还只是停留在简单地用激光提高物质的温度以达到产生核聚变反应的条件;1968年,苏联列别捷夫研究所的Η.Γ.巴索夫等首次报道从氘化锂平面型靶上获得了中子。
直到1972年,美国利弗莫尔国家实验室的J.纳科尔斯等公开发表了高密度爆聚的理论,重点于是转向多束激光辐照微球靶的高压缩爆聚实验;激光聚变研究的规模也相应有了相当大的扩充。
另外,在脉冲功率技术发展的基础上,70年代后又相继开始了相对论性电子束、轻离子束与重离子束聚变的研究。
不过,与激光聚变已达到的水平相比较,它们都还处在发展的初期。
中国引领世界潮流的十大科技
中国引领世界潮流的十大科技中国经济经过高速发展20年,经济总量很大,但真正在世界上领先的科技以及制造技术有哪些?1、特种隐身技术和超材料技术为大力推进科技创新工程,加强预研和基础技术研究,特种所下发了《关于加强前沿技术和基础研究的决定》,推进体制与机制改革,成立了专门的预研中心和总师办,着力推进技术创新和核心竞争力提升。
中国超材料技术研究处于世界领先地位作为电磁窗研制国家队的领航人,张明习把握机遇,聚焦世界前沿,积极抢占技术制高点,带领技术团队开展超材料技术研究,并编著了《超材料概论》一书。
该书的出版,实现了特种所在超材料技术专著方面的突破,奠定了特种所在超材料研制方面的技术基础,同时也对我国超材料技术研究和发展起到促进作用。
2、航空航天技术中国的航天技术在某些方面确实不如美国先进,但在一些方面又超越了美国,各有千秋。
比如这个太空打水漂:第一漂进入大气层是每秒11点2公里,到了第二漂已经减速为每秒7点8公里。
这个速度既不会进入轨道成为卫星,也没有低到洲际弹道导弹再入的速度以下,相当于洲际弹道导弹的再入速度,就看怎么理解它的性质了,没有几个绝招是绝对做不到这样好的结果。
3、弹道导弹打航母站私人定制,全世界独一份。
答主曾与二炮一位三级士官专门探讨过这个问题,得到确定的答案。
东风21C、东风21D甚至于东风26等等一系列后续型号的发展,让围堵中国于第一岛链成为天大的笑话,前国防部长梁光烈说,“在第一岛链之内,中国还没有对手,消灭两个航母编队是不用了多少导弹的!”4、量子通信技术潘建伟,中国科学院院士,中国科学技术大学副校长、教授、博导。
量子通信由于量子纠缠干扰的问题从理论上讲不存在被窃听的可能。
量子物理讲,观察者一旦涉足观察,必然会对被观察物造成扰动,改变其状态。
米尔军事论坛中国的量子卫星如果组网,想想都害怕~~~~5、高超音速武器、反卫星武器、中段反导拦截技术三者虽然是不同的方向,但核心技术体系是同位一体。
激光约束核聚变
激光约束核聚变激光约束核聚变是一种新兴的聚变能技术,其基本原理是利用激光束将燃料聚变可控地压缩到高密度和高温度,使其发生核聚变反应,从而产生大量的能量。
激光约束核聚变的核心是通过激光束将燃料聚变可控地压缩到高密度和高温度,这需要高功率、高品质的激光,因此激光约束核聚变是激光技术、聚变技术和计算机技术的集成应用。
激光约束核聚变的实现需要经过四个关键的步骤。
第一步是激光初始放大和调制,当激光被放大到足够高的能量时,将其调制为一组高质量和稳定的激光脉冲。
第二步是激光束转换和预压缩,这一步需要将激光束转换为能够同时照射到燃料中的多条激光束,并对其进行预压缩,以达到高能量和低散焦度。
第三步是燃料球的制备和注入,需要将燃料制成小球状,然后通过注入器注入到激光束交叉点处。
最后一步是激光压缩和聚变反应,即将燃料球在激光束的作用下进行压缩,并达到足够高的密度和温度,从而促进核聚变反应的发生。
激光约束核聚变具有众多的优点。
首先,它是一种非常干净、安全和环保的能源技术,没有排放温室气体和核废料的问题。
其次,它的能源密度非常高,可以在短时间内产生大量的能量,满足人类短期能源需求。
最后,激光约束核聚变技术的发展可以促进激光技术、聚变技术和计算机技术的相互交流和合作,推动这些技术的发展和应用。
虽然激光约束核聚变技术非常有前途,但它也面临着多种挑战。
首先,激光光源的稳定性和能量输出需要得到进一步提高,以保证聚变反应的可控性和稳定性。
另外,燃料中的杂质和不同的参数变化、气体动力学问题和激光与燃料的相互作用问题也需要进一步研究和解决。
总之,激光约束核聚变是一种前景广阔的清洁能源技术,其实现不仅需要高功率、高品质的激光,还需要计算机模拟、燃料制备和其他多种技术的配合。
如果能够克服上述挑战,这种新兴的聚变能技术将可能在未来替代传统的化石能源,成为人类长期、可持续的清洁能源来源。
中国“神光”计划——惯性约束核聚变激光驱动装置(图)来自网络
“神光”计划——惯性约束核聚变激光驱动装置工程总投资:—工程期限:1980年——2030年“神光”高能激光系统的球形真空靶室和光学设备。
“激光”一词是“LASER”的意译。
LASER原是Light amplification by stimulated emissi on of radiation取字头组合而成的专门名词,在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器” 、“光受激辐射放大器”等。
1964年,钱学森院士提议取名为“激光”,既反映了“受激辐射”的科学内涵,又表明它是一种很强烈的新光源,贴切、传神而又简洁,得到我国科学界的一致认同并沿用至今。
世界第一台激光器问世是在1960年6月,中国第一台激光器是在1961年9月。
从1961年中国第一台激光器宣布研制成功至今,我国形成了门类齐全、水平先进、应用广泛的激光科技领域,并在产业化上取得可喜进步,可以说,在起步阶段我国的激光技术发展迅速,无论是数量还是质量,都和当时国际水平接近,一项创新性技术能够如此迅速赶上世界先进行列,在我国近代科技发展史上并不多见。
这些成绩的取得,尤其是能够把物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件,主要得力于我国多年来在技术光学、精密机械和电子技术方面积累的综合能力和坚实基础。
上海光机所我国早期激光技术的发展1957年,王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所——中国科学院长春光学精密仪器机械研究所(简称“长春光机所”)。
在老一辈专家带领下,一批青年科技工作者迅速成长,邓锡铭是其中的突出代表。
早在1958年美国物理学家肖洛、汤斯关于激光原理的著名论文发表不久,他便积极倡导开展这项新技术研究,在短时间内凝聚了富有创新精神的中青年研究队伍,提出了大量提高光源亮度、单位色性、相干性的设想和实验方案。
1960年世界第一台激光器问世。
1961年夏,在王之江主持下,我国第一台红宝石激光器研制成功。
此后短短几年内,激光技术迅速发展,产生了一批先进成果。
惯性约束核聚变
惯性约束核聚变
核聚变是一种用来获取大量的能量的可持续的技术。
然而,因为
核聚变反应本身的技术复杂性和可靠性方面的问题,一些人质疑它是
否真的可行。
为了治疗目前存在的问题,近年来,特别是在聚变研究中,研究人员和工程师着重研究了惯性约束核聚变技术。
惯性约束核聚变是指给于聚变堆中反应区采用“惯性约束”,将
聚变堆内的反应物暂时阻塞,阻止辐射和胶子等污染物进入聚变堆外部,然后将反应物介质移到聚变反应堆的控制区域。
使用此技术的主
要原因是,聚变反应可以在聚变反应堆的控制区域进行有效的控制和
监控,从而有效地控制聚变反应的安全性和可靠性,并且可以将聚变
反应本身的产生能量集中在反应堆的控制区域中。
这种技术的优点是,其可以改善聚变堆的可控性,使聚变反应更
加稳定,从而可以减少聚变过程中发生的隐患,降低发生事故的风险。
此外,这种技术还可以减少核聚变反应中的放射性污染,可以减少大
量的弃物的产生,大大提高了聚变反应的可持续性。
不仅有操作安全性和持续性的优势,惯性约束核聚变还有一种节
约能源的优点,换言之,它可以让更少的能量被消耗,从而获得更多
的能量。
因此,通过使用这种技术,还可以使聚变反应较为高效,使
工程师能够轻松地获得聚变反应原料,从而有效地帮助人类节省资源。
从以上可以看出,惯性约束核聚变技术就是一种可将核聚变反应
有效地控制的技术,是获取大量的能量的可持续的技术。
由于它具备
操作安全性、持续性和节约能源等优点,所以已被广泛应用于聚变研
究领域。
浅谈惯性约束核聚变_张杰
零,也即将磁场零点定在ν=1/2处,那么所有的FQHE 态看起来和IQHE 态一样.例如,ν=1/2和ν=1/3之间的磁场间隔ΔB 正好与ν=1所需的磁场一样,也就是说,经平移以后ν=1/3态就成了ν=1态.同样ν=2/5态成为ν=2态,ν=3/7态成为ν=3态.这就是说,原来电子的FQHE 态变成了组合费米子的IQHE 态.组合费米子模型在FQH E 和IQH E 之间建立了十分直接的联系.6 组合费米子的有效质量众所周知,由IQHE 的能隙 ωc = e B /m *c 可以直接计算出电子的有效质量m *.那么从图11上的直线斜率也可以直接算出组合费米子的有效质量m *c F1≈0.6me .它远大于电子在导带中的有效质量.但是事情并不那样十全十美.按说将图11中能隙外推到ν=1/2处应当为零,然而现在得到的却是一个负截距.实际上在IQH E 效应中也遇到类似的情况.在实际样品中,受杂质、缺陷或者结构尺寸涨落的影响,朗道能级的展宽使整数填充因子处的朗道能隙间距减小,同样在B =0处出现一个负截距.根据上述类比,图11中在ν=1/2处负截距大小实际给出了组合费米子所受到的散射大小.至此,可以讲组合费米子是分数量子霍尔效应中的新粒子.Stormer 认为,组合费米子的真实性一点不比超导中的库珀对差.7 结束语鉴于量子霍尔效应涉及深奥的物理内涵,本文只是力图从物理图像的角度粗浅地介绍它的基本性质.特别是目前对FQH E 态的研究仍在不断深入,本文所涉及的内容十分基础,不可能反映这方面研究工作的广度和深度.作者只希望借1998年诺贝尔物理学奖颁布之际,能使本刊读者对量子霍尔效应有一概括的了解.另一方面,由于本文是属知识介绍性的文章,因时间关系没有一一列出每项工作的有关文献,其目的只是想减小工作量.如有不妥之处,请予以谅解.* 国家高技术惯性约束核聚变委员会资助项目 1998-11-19收到初稿,1998-12-10修回浅谈惯性约束核聚变*张 杰(中国科学院物理研究所,北京 100080) 摘 要 以煤、石油、天然气为代表的化石能源终将枯竭,基于核裂变反应的核裂变能源也由于安全性和核废料的处理等问题而不尽如人意.人类期待着新的能源.受控热核聚变反应能释放巨大的能量,而且由于这种能源干净、安全,且以用之不竭的海水作为原料,因此,受控热核聚变能是人类下一世纪的能源的主要希望所在.在地球上,主要有两种方法实现受控热核聚变反应:磁约束核聚变和惯性约束核聚变.文章通俗地介绍了惯性约束核聚变的基本原理和惯性约束核聚变研究的最新进展.关键词 惯性约束核聚变·142·物理AN OVERVIEW OF INERTIAL C ONFINEMENT FUSI ONZhang Jie(Institute of Phys ics,The C h ines e Aca demy of Sciences,Beijing 100080)Abstract The fossil fuel era is almost over.If we continue to burn fossil fuels such as oil or natural gas for energy,they will last only another few hundred years.Present energy use t rends indi-cate that an energy shortfall could arise midway through the21st c entury as fossil fuels are depleted. Taming fusion will provide us with a virtually inexhaustible source of clean,acc essible energy.In this article a brief overview of inertial confinement fusion with a sumary of recent research results will be presented.Key word inertial confinement fusion1 引言宇宙的能量来自核聚变反应.太阳,还有许多恒星都是天然的核聚变能源,在太阳中发生的核聚变反应给整个世界和我们的日常生活提供了能量.人类社会运转所需要的煤、石油和天然气都是亿万年以前太阳与当时的植物相互作用的产物.在地球的沉积层中,埋藏着许多远古时代的生物遗体.在缺氧、泥沙层不断增厚、内部压力和温度不断增加的环境下,经过细菌的分解作用,形成了石油、煤和天然气等“化石”能源.这些化石能源都是不能再生的.目前世界人口大约每40年翻一番,用电量也是每40年翻一番.到目前为止,人类已经用掉了地球上几乎一半的化石能源.如图1所示,按照目前人类对化石能源的要求来推算,在22世纪到23世纪这段时间,人类对化石能源的消耗将达到最大,与此同时,地球上开始出现这种化石能源供不应求的现象.到24世纪中叶,这种化石能源就会枯竭.这种严峻的现实使得人类对新能源的探索,已经从单纯的实验室中的研究项目变成了人类社会的强烈需求.图1 人类社会发展对能量的需求和现有的化石能源的供给随时间的变化趋势(图中的估算的假设:世界人口稳定在100亿,每人年平均能耗为美国1985年水平的2/3) 尽管实际上世界上的所有能量都来自太阳的核聚变反应,习惯上,人们还是将“太阳能”专指把太阳光转化为热能和电能的技术.太阳能的确非常重要,但是太阳能不可能满足人类生·143·28卷(1999年)3期活对能量的全部要求.目前的核电站所产生的能量来自核裂变反应.这种核裂变反应所提供的能量在下个世纪的生活中将会变得越来越重要.但是,这种核电站的安全性、对环境的污染以及核废料的处理等问题的确令人大伤脑筋.核裂变反应能是在重原子核受到中子的轰击裂变为轻原子核时所释放的能量,与此相反,核聚变反应能则是在轻原子核聚变为重原子核时所释放的能量.如图2所示,核聚变反应可以比核裂变反应释放大得多的能量.早在50年前,人们就认识到太阳和其他恒星的能量都来自核聚变反应.下面我们以氢原子的两种同位素氘和氚的聚变反应为例来说明核聚变反应.氘和氚都带正电荷,互相排斥.因此要想把它们聚合起来,需要用很大的能量才能克服它们相互间的斥力.这需要把核燃料加热到1亿度以上,以使氘和氚有足够大的动能,但即使这样,也还不足以发生核聚变.还需要将核燃料约束到足够高的密度,以使氘和氚有足够大的机会相撞以发生聚变.核聚变反应之前的反应物氘和氚的质量大于反应之后的产物———氦和中子的质量.根据爱因斯坦的质能关系E=mc2,反应物与产物的质量差变成了聚变能(见图3).尽管在这个聚变反应中仅失去了0.38%的质量,但是在1g氘氚反应中失去的3.8m g 的质量就相当于燃烧约1.08×104L油所释放的能量.图2 核聚变反应与核裂变反应所释放能量的比较(核聚变反应所释放出的能量比核裂变反应所释放的能量要大得多)图3 氘氚核聚变反应的示意图和氘氚核聚变反应质能平衡图[轻元素(如氘和氚)在高温、高压下发生核聚变反应变为较重的元素(如氦或α粒子),同时释放大量的能量(相当于燃烧石油所释放的能量的1百万倍).在聚变反应过程中所释放的能量来自核聚变反应中所失去的能量,0.02原子单位的质量(amu)变为17.6M eV的能量] 就单位质量而言,核聚变反应所释放的能量要比核裂变反应所释放的能量大得多.在图4中我们可以把核能与其他化石能源进行一下直观的比较.一个发电量为100万千瓦的火力发电厂每年的耗煤量大约为210万吨,相当于191列由110节货车车厢组成的火车的运量;同样的发电量,若用燃油则每年需1千万桶,相当于10艘超级油轮的运量.而对于核裂变发电厂来说,则需要30吨的二氧化铀作燃料,相当于1节货车车厢的运量;相同的电量对于核聚变发电厂来说,则仅需600公斤核燃料,这相当于1辆轻便客货两用汽车的运量.而且,·144·物理由于受控核聚变能是干净、安全、经济的能源,所以人们将下一世纪的能源主要寄希望于核聚变反应上.氢弹爆炸所释放的威力巨大的能量就来自爆炸时的核聚变反应.然而,氢弹的爆炸是大规模的核能释放,无法人工控制.在地球上实现受控核聚变反应是半个世纪以来科学家们努力追求的目标.图4 核能与其他化石能源的比较(1个100万千瓦发电站使用不同燃料时年消耗量的对比)2 磁约束核聚变(MCF)和惯性约束核聚变(ICF) 目前,人们在实验室里研究核聚变反应主要采用磁约束和惯性约束两种方法(见图5).磁约束核聚变(magnetic confinement fu-sion,MCF)主要依靠强有力的磁场将低密度、高温度的等离子体约束足够长时间以使氘氚等离子体达到核聚变反应所需要的条件.经过几代科学家的努力,目前的磁约束实验装置已经分别可以将较低温度、低密度的等离子体约束足够长的时间或者在短时间内将等离子体加热,但是如何使磁约束实验装置中的等离子体在实现长约束时间的同时也达到核聚变反应所需要的高温,目前仍是一个极大的难题.惯性约束核聚变(inertial confinement fu-sion,ICF)则是利用高功率激光束(或粒子束)均匀辐照氘氚等热核燃料组成的微型靶丸,在极短的时间里靶丸表面在高功率激光的辐照下会发生电离和消融而形成包围靶芯的高温等离子体.等离子体膨胀向外爆炸的反作用力会产生极大的向心聚爆的压力,这个压力大约相当于地球上的大气压力的十亿倍.在这么巨大的压力的作用下,氘氚等离子体被压缩到极高的密度和极高的温度(相当于恒星内部的条件),引起氘氚燃料的核聚变反应.人们希望能通过惯性约束核聚变(受控热核反应)来产生既干净又经济的能量.当把氢的同位素氘、氚加热到10keV时,它们就具有足够高的动能来穿透核的库仑势垒,从而引发核反应.与磁约束核聚变反应不同的是,惯性约束核聚变的等离子体并不需要任何的外力对其约束,而是依靠燃料自身的惯性,在高温、高压下,在氘氚燃料还没来得及飞散之前的短暂时间内引发聚变核反应.惯性约束核聚变(ICF)和磁约束核聚变(MCF)的共同点是它们都要求高达1亿度的反应温度.二者的不同在于:惯性约束核聚变等离子体的密度极高(1026cm-3),约束时间为纳秒(10-9s)量级,与氢弹的热核反应的条件类似.而磁约束核聚变等离子体的密度则低得多,仅为1015cm-3的量级,因此,其约束时间必须长达秒的量级,以满足劳森判据(Law son crite-·145·28卷(1999年)3期图5 实验室中实现核聚变反应的两种途径:惯性约束核聚变(ICF)和磁约束核聚变(M CF).[这两种途径的共同点是它们都要求1亿度的高温,密度和时间的乘积大于1014cm-3s.二者的不同在于:惯性约束核聚变等离子体的密度极高(1026cm-3),约束时间为纳秒量级,与氢弹的热核反应的条件类似;而磁约束核聚变等离子体的密度则低得多,仅为1015cm-3的量级,因此,其约束时间必须长达秒的量级,以满足劳森判据的要求]rion)的要求.3 惯性约束核聚变反应的基本原理同其他所有的核聚变反应过程一样,惯性约束核聚变反应也必须满足劳森判据,但是在要求上它与通常磁约束核聚变又有一些区别.通常磁约束核聚变要求:n eτ>1014s cm-3,这里n e为等离子体密度,τ是反应时间.对磁约束核聚变反应来说,约束时间τ由被加热的粒子和能量弥散的时间来决定,而在惯性约束核聚变反应中,这个时间则是由等离子体的膨胀时间来决定的.在等离子体半径R膨胀25%的时间内,热核反应的速率降低一半.由此我们可以估算出热核反应时间τ~(1/4)R/C s,这里C s是等离子体的膨胀速度,由等离子体的温度决定.对应于热核反应温度10keV,C s~6×107cm·s-1,把这个热核反应时间代入劳森判据,同时用质量密度ρ代替粒子密度n e,可得变形后的劳森判据[1]:ρR>0.2g cm-2.(1) 然而,在这样的条件下,α粒子只有约1—2个射程.对于惯性约束核聚变反应来说,由于α粒子没有受到磁场的约束,很快就会跑掉,对于5—10keV温度,氘氚的燃耗f~ρR/(ρR +6),若ρR=0.2gcm-2,这时的燃耗只有3.2%,这太不合算了.因此在惯性约束核聚变的研究中,通常要求ρR>3gcm-2,以保证燃耗f>33%.从劳森判据估算可以得知,如果整个氘氚靶丸压缩到高温(~5keV)、高密度(~200gcm-3),则在ρR=3g/cm2的要求下,需要提供给氘氚靶丸的能量为E f=1.7M J,若想能提供真正有用的能量输出,则在效率约4%的条件下,要求驱动激光能量为E lase r≈43MJ!这显然是不容易实现的.因此,要想用现实的驱动能量来实现惯性约束核聚变,只能采用压缩的高密氘氚燃料,使其密度达到300gcm-3(相当于原来密度的1000倍),同时,这个压缩要在低温下进行,使中心处2%—3%质量的氘氚燃料形成热斑(hot spot),实现“中心点火”.此时,用兆焦耳量级的驱动能量就可以引发热核反应,释放几百兆焦耳的聚变能量.建造这样的巨型激光装置需要花费十几亿美元,这大约相当于一个大型发电厂的造价.目前,美国正在建造这样的激光装置———国家点火装置(national ignition facility,N IF),预计在2003年建成.1992年,日本大阪大学激光工程研究所利用GIKKO XⅡ激光聚焦后辐照空心壳层靶丸,将靶丸压缩到了相当于初始密度500—1000倍的高密度.美国利弗莫尔国家实验室利用NO-VA激光装置的光束聚焦后辐照、压缩靶丸,也达到了这个水平.当然,这样的压缩是在远低于核聚变的点火温度下实现的.NOVA是目前世界上最大的激光装置,它由10路输出口径为74cm的光束组成.每路激光束的基频(1.053μm)输出能量为8—10kJ,10路激光的基频总输出能量为80—100kJ,三倍频(0.35μm)的输出能量为40kJ.NOVA激光装置上用于激光核聚变实验的靶室的直径为5m.·146·物理若想在点火温度下达到这样的高密度压缩,从而引发核聚变反应,就需要使用兆焦耳量级的激光装置来实现了.美国的国家点火装置NIF 就是为这个目的而建造的.当然,想同时达到高温(10keV )和高密度(300g cm -3)决非易事.在这样的条件下,等离子体内部的压强是大气压的1012倍(1万亿个大气压).这个压强比激光直接辐照靶丸表面所可能产生的最大压强(光压)还大4个数量级.这个困难只能通过对核聚变靶丸特殊的精细设计来克服.最简单的设计就是一个空心靶丸,其外壳由适当材料组成,使其在激光辐照下有较好的逆韧致吸收性能.热核燃料装在空心靶丸内.高功率激光束在辐照靶丸外表面的同时,也加热了靶丸的表面.靶丸表面的电子吸收激光能量,加热后迅速将能量传给其他的电子和离子,从而造成表面的快速升温并形成冲击波.同时,消融表面产生的高温、高压等离子体快速向外膨胀,由于动量守恒产生对靶面的反冲压强———消融压(ablation pressure ),要比作用在靶丸表面的光压大1万倍以上.这种反冲压强对靶丸的压缩原理,与火箭推进器中的燃料燃烧、喷射所产生的反作用力(即推力)将火箭推向前进的原理是相同的.唯一不同的是,压缩核聚变靶丸所需要的“推力”要比火箭的推力大得多,大约比航天飞机所需要的推力大100倍以上.这样巨大的压强会使靶丸表面出现烧蚀、膨胀、爆炸.当靶壳发生爆炸时,会产生极强的向心冲击波和X 射线光辐射,从而实现对燃料进行高度压缩,并使其达到热核反应所需要的高温和高压(见图6).图6 惯性约束核聚变的基本原理示意图[惯性约束核聚变反应过程由以下4步组成:(a )由均匀辐照靶丸的激光束迅速地将靶丸表面物质离化形成等离子体;(b )等离子体膨胀所产生的反冲对靶丸进行压缩;(c )在压缩的后期,靶丸的核心部分达到1亿度的高温和相当于20倍的固体铅密度的高密度,从而在被压缩的燃料中心产生“热斑”;(d )整个靶丸实现热核反应并释放能量,燃烧起来] 在爆炸过程中,有两个途径可以使压强得到进一步增强.下面我们用能量密度来说明这一点,因为对理想气体而言,能量密度(3/2)nk T 与压强nk T 之间仅相差一个3/2因子.惯性约束核聚变的主要思想就是将尽可能大的能量注入到靶丸的燃料内,然后将燃料压缩到尽可能小的体积之中.在靶壳爆炸过程中,能量不断地会聚到靶芯处的核燃料中,同时燃料的体积也由于压缩而不断缩小,这两个过程的共同作用造成了靶芯处燃料的压强比靶壳表面上的激光压强大得多的结果.核聚变反应所需要的会聚因子Ψ=R init /R f inal (始末半径之比)由靶芯燃料压强增加的倍数所决定.假设激光辐照靶丸外壳的驱动压强为P d ,那么压缩靶丸外壳所作的功P d d V 就为E d =∫4πR 2P d d R 4π3P d R 3init .(2)如果压缩比很大,即R 3init R 3final ,则靶芯处的核燃料在核反应发生时的能量为E f =4π3R 3final 3P f2,(3)·147·28卷(1999年)3期这里的燃料仍被当作理想气体来处理,其能量密度为(3/2)P f.如果在压缩过程中所作的功P d V都用于加热燃料的话,那么由E d=E f就可给出R initR fi nal=3P f 2P d强比1/3.(4) 如果P f=106M bar,P d=50Mbar,那么线压缩的结果就是:Ψ=R init/R final=30,对应于3×104倍的体压缩,足以将燃料压缩到其固体密度的1000倍以上.当然,对应于这样大的压缩比,靶壳的爆炸就必须非常均匀.假如靶壳不同部分的加速度有哪怕3%的差别,它们到达靶芯的时间就会有所不同,最终造成压缩失败.这个要求非常苛刻,因为这意味着辐照靶壳的激光强度的分布必须非常均匀、平滑才行.从80年代以来,激光光束的光滑化技术有了很大的发展.先后发明了无规相位板技术(random phase plates,RPP)[2],诱生空间非相干技术(induced spatial incoherence,ISI)[3]和光谱色散光滑化技术(smoothing by spectral dis-persion,SSD)[4].因此,技术上的困难似乎可以解决.但是,物理上的困难却给均匀压缩设置了极大的障碍.这个物理上的困难给靶壳厚度提出了非常苛刻的要求:假如线压缩比Ψ要达到30,并且靶壳在爆炸的末期要想加速到足够高的速度的话,那么靶壳的厚度ΔR就必须远小于靶丸的初始半径R init.对靶壳的苛刻要求是由于在有加速度的两种密度不同的流体界面存在瑞利-泰勒不稳定性所带来的.这种不稳定性会把在靶丸的压缩过程中出现的任何不均匀性指数放大,从而造成压缩失败.所以必须尽可能地减少激光辐照的不均匀和限制瑞利-秦勒不稳定性的发展时间.“间接驱动惯性约束核聚变”是另一种驱动方案.如图7所示,这种方案的主要思想是将核聚变靶置于黑洞腔靶(hohlraum)内,激光不再直接辐照靶丸,而是辐照黑洞靶腔壁.腔壁将所吸收的激光能量转化为X射线,由这种强度极大的X射线辐照、压缩置于黑洞靶中心的氘氚靶丸从而引发核聚变.由于X射线辐照要比激光辐照均匀得多,因此可以避免流体不稳定性的问题[5].图7(a)NOVA激光装置上用于间接驱动激光核聚变研究的黑洞腔靶;(b)在激光辐照下的黑洞腔靶(NOVA的黑洞腔靶是直径为毫米量级的空心圆柱.多路激光束从左右两端辐照在黑洞内的腔壁上,高效率地转化为X射线.置于黑洞腔靶中央的氘氚燃料靶在X射线的均匀辐照、压缩下实现燃烧)传统的惯性约束核聚变主要依赖对氘氚靶丸的均匀向心压缩、加热而产生的中心热斑来实现.这一条件可以通过用多束激光直接或间接地辐照靶丸产生的快速、高度球对称的聚心内爆-压缩-热斑来达到.惯性约束聚变对激光辐照的球对称性和均匀性有极高的要求,而且要求总能量为百万焦耳量级的巨型激光器才能实现输出能量大于输入能量(增益>0)的聚变.这样的巨型激光器,如美国国家点火装置(N IF)目前正在建造之中.NIF共有192路激光束,这个装置的占地面积将超过一个中型体育场,其总输出功率将高达5千亿千瓦(5×1014W),这个功率大约相当于美国全国发电量·148·物理的1000倍!当然,由于激光输出是在极短的时间内完成的,所以,并不会对电网造成任何影响.造价预算高达12亿美元的NIF 装置计划将于2003年建成.我国德高望重的科学家王淦昌先生早在60年代初就想到了把激光与核物理研究相结合,并于1964年独立提出了惯性约束核聚变的概念,这在世界上是最早的惯性约束核聚变的建议之一[6].在王淦昌先生的积极倡导和推动下,我国的科研人员从60年代起就将惯性约束核聚变作为发展高功率激光技术的主要方向,在惯性约束核聚变研究和高功率激光技术等方面取得了巨大的成就,先后建成了“六路装置”、“星光”、“天光”和“神光”等大型高功率激光装置.我国的巨型激光装置也将于下个世纪初建成并投入使用.4 “快点火”惯性约束核聚变的方案针对以上“中心热斑”方案遇到的巨大困难,近年来,随着超短脉冲激光啁啾放大技术的重大突破,有人提出了“快点火”的技术方案[7],即在聚变燃料被均匀压缩到最大密度时,将一束超短脉冲强激光(10-11s )聚焦在靶丸表面(光强>1020Wcm -2),极高的有质动力在靶丸表面的等离子体的临界密度面上“打洞”,并将临界密度面压向靶芯的高密核.此时,在这个过程中产生的大量的MeV 能量的超热电子穿透临界密度面射入高密核使离子温度迅速升温至点火所要求的5—10keV 的高温并实现快速点火.图8为传统惯性约束“中心热斑”聚变与“快点火”聚变的示意图.可以这样形象图8 “快点火”激光核聚变原理示意图(a )传统的中心热斑激光核聚变与柴油机的点火过程类似;(b )“快点火”激光核聚变与汽油机的点火过程类似地比较这两个过程:传统的中心热斑激光核聚变过程与柴油机的点火过程类似,在压缩到一·149·28卷(1999年)3期定密度时,柴油会自动燃烧;而“快点火”激光核聚变过程则与汽油机的点火过程类似,当燃料被压缩到最高密度时,用电火花将其点燃.在“快点火”激光核聚变过程中,超热电子所起的作用就是电火花在汽油机中所起的作用.“快点火”激光核聚变的概念涉及许多与高强度、超短脉冲有关的强场物理相互作用过程[8].其中包括超短脉冲强激光与高密度等离子体的相互作用、高强度的超热电子流在高密等离子体中的产生和传输、在临界密度面附近的谐波产生、超强磁场的产生和所起的作用、与有质动力有关的效应、相对论自聚焦和成丝、超短脉冲强激光束的“打洞”和“隧道”效应等.“快点火”方案的几个主要的物理过程如图9所示.首先用纳秒级长脉冲激光束对充满氘、氚气体的空心靶丸进行高度对称的压缩,压缩后的靶丸中心的氘、氚气体的密度将达到其固体密度的1000倍以上(>300gcm -3);第二步,用一束脉冲宽度约为100ps 、聚焦光强为1018Wcm -2的激光辐照压缩后的高密靶丸,这束聚焦的激光会将靶丸的临界密度面进一步压向中心,在高密靶丸上打出一个“洞”来.紧接着,用一束脉宽为10ps 左右、聚焦光强为1020Wcm -2的激光对靶芯部分进行快速点火:点火的激光束与靶芯的大密度梯度的高密等离子体相互作用,产生大量能量为MeV 量级的超热电子[9],超热电子流穿入高度压缩的靶丸并淀积在靶芯处的燃料中,靶芯附近燃料的局部温度迅速上升到点火温度,从而实现靶丸的“快点火”.图9 快点火激光核聚变的几个主要物理过程的示意图(a )高压缩比爆炸;(b )“打洞”激光束;(c )点火激光束;(d )“快点火”过程中的能量转换 实际上,正如图8(b )所示,“快点火”方案中的第二步中所用的100ps 的激光脉冲与第三步中用的10ps 激光脉冲在实际的实验中是一个整形后的激光脉冲.这个激光脉冲由一个100ps 的前沿和一个10ps 的尖峰组成.使用这种整形后的激光脉冲可以大幅度地降低实验难度.由于“快点火”惯性约束聚变将压缩和点火这两个过程分开进行,因此可以大幅度降低对爆炸对称性和驱动能量的要求.在“快点火”方案中,初始压缩期仅要求达到高密度,并不要求高温度,所以对长脉冲压缩激光的“光滑化”要求大幅度地降低了.超短脉冲强激光与压缩后·150·物理。
激光惯性约束聚变讲解
激光惯性约束聚变 WORD文档使用说明:激光惯性约束聚变来源于本WOED文件是采用在线转换功能下载而来,因此在排版和显示效果方面可能不能满足您的应用需求。
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这一装置能产生类似恒星内核的温度和压力,并使美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。
打造12年耗资35亿打造年耗资亿据利弗莫尔劳伦斯国家实验所发表的新闻公报,这个激光聚变装置名为“国家点火装置(NIF)”,被安置在一幢占地约3个橄榄球场地的 10层楼内,它由美国能源部下属国家核安全管理局投资,从1997年开始建设,总共耗资约35亿美元。
公报说,国家点火装置可以把200万焦耳的能量通过192条激光束聚焦到一个很小的点上,从而产生类似恒星和巨大行星的内核以及核爆炸时的温度和压力。
这一过程同太阳中心产生能量原理相似,因此这一试验被称为“人造太阳”。
在此基础上,科学家可以实施此前在地球上无法实施的许多试验。
无需核试验保持核威慑力公报说,国家点火装置共有3个任务,第一个任务是让科学家用它模拟核爆炸,研究核武器的性能情况,这也是美国建设国家点火装置的初衷,即作为美国核武器储备管理计划的一部分,保证美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。
国家点火装置的第二个任务是使科学家进一步了解宇宙的秘密。
科学家可使用国家点火装置模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境,进行科学试验。
激光核聚变点火成功 “人造太阳”指
9核聚变的研究。
想要两个原子核克服电排斥力结合,需要极为苛刻的条件。
以太阳为例,其中心有高达1500万摄氏度的超高温,以及约有3000亿个大气压的超高气压。
可控核聚变往往被称为“人造太阳”,需要模拟太阳中心的环境。
实现可控核聚变有两条主流的技术路径:磁约束核聚变和惯性约束核聚变。
地球上无法实现太阳的超高压,但如果把核燃料加热到1 亿摄氏度以上,原子核便会有足够的动力相互碰撞,发生聚变反应。
但一旦到了这一温度,所有固态材料会直接汽化。
上世纪50年代,苏联科学家研制出一个形似甜甜圈的“炼丹炉”,被称为托卡马克装置。
它在环形圈内构建磁场约束核燃料,使其不与高温的容器壁接触,可以持续燃烧一段时间,产生能量。
此后,世界范围内曾掀起托卡马克建设热潮,美国、欧洲、日本、中国都斥巨资打造了这类大型装置。
而惯性约束核聚变,是通过激光产生巨大压强,使核燃料体积在瞬间变小,密度变大,原子核发生聚变反应。
世界上最知名的装置,当192束超高能量的激光束同时轰击一颗胡椒粒大小、装有氘和氚元素的圆柱体时,会产生什么结果?当地时间2022年12月5日,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)开展这项实验,“奇迹”发生了。
激光束为圆柱体提供2.05 兆焦耳的能量后,输出了3.15兆焦耳的核聚变能量。
12月13日上午,美国能源部与美国核安全管理局专门召开新闻发布会,宣布这一重大突破。
美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆称,“这是一个具有里程碑意义的成就”,未来将激发更多的发现,为美国国防和清洁能源的发展铺平道路。
一直以来,可控核聚变被认为是“人类的终极能源”,但历经70多年的研究后,仍处在实验阶段。
“点火”,即核聚变产生的能量超过激光束打入的能量,是可控核聚变走入现实必要的指标之一。
“只有这种情况下,这一装置才有望提供能源,而不只是一个耗电器。
”中山大学中法核工程与技术学院副教授王志斌向记者解释说,LLNL 这次的实验从科学层面证明了,惯性约束聚变可以实现净能量增益。
可控核聚变——“无限的能源”梦想
Sci-Tech Expo科技博览可控核聚变——“无限的能源”梦想文 王握文 任永存 李杭2022年年初,英国原子能研究所发布消息称,在最近一次核聚变发电实验中,欧洲联合核聚变实验装置(J E T)在5秒内产生了59兆焦耳的持续能量,打破了这一装置在1997年创造的4秒内产生约22兆焦耳这一纪录,创造了可控核聚变能量新的世界纪录。
所谓可控核聚变,是指在一定条件下控制核聚变的速度和规模,能实现安全、持续、平稳能量输出的核聚变反应。
在能源需求量日益增加、能源短缺日趋严重的今天,可控核聚变凭借原料充足、安全可靠、无污染等优势,被科学家视为解决人类能源问题的“光明大道”。
59兆焦耳,可以满足一个普通家庭一天的电力需求。
此次J E T创造的世界纪录,让很多科学家确信,人类获得这一“无限的能源”是可能的、可行的。
利用核聚变,难就难在“可控”二字提起工业社会你会想到什么?滚滚蒸汽,堆积如山的煤炭,还有喷涌而出的石油……自进入工业社会以来,以化石燃料为核心的能源不断应用于人们的生产生活,助推着工业文明发展和科学技术进步。
即使在技术高度发达的今天,人们依然对煤炭、石油、天然气等传统能源保持着相当大的依赖。
然而,随着人类需求的不断扩大,传统能源的储量正在不可逆转地减少,其造成的污染更是对人类健康与生存造成严重影响。
寻找无限的清洁能源一直是科学家努力探索与追求的目标。
1942年12月,以美籍意大利著名物理学家恩利克·费米为首的一批科学家,根据核裂变原理,在美国建成了世界上第一座人工核反应堆,为人类打开了原子世界的大门。
研究表明,1克铀-235充分核裂变后,释放出来的能量相当于2.8吨标准煤燃烧释放的能量。
这激起了世界各国利用核裂变发电的热情。
然而,这种方式存在很大局限。
一方面,核裂变反应所需的裂变燃料在地球上储量有限;另一方面,核裂变产生的核废料具有长期放射性,一旦处理不当,会给人类及环境造成长久而巨大的影响。
激光惯性约束聚变的基本原理和点火装置
激光惯性约束聚变的基本原理和点火装置中国工程物理研究院激光聚变研究中心粟敬钦1激光惯性约束聚变基本原理聚变反应是指由较轻原子核聚合生成较重原子核,并伴随着能量释放的过程。
根据爱因斯坦的质能关系,聚变放能的实质是把质量转换为能量。
聚变反应要求原子核有足够的动能克服静电排斥力。
聚变点火,是指当聚变放能大于驱动能量,热核系统温度自持地急剧上升并引发急剧放能的现象。
所谓燃烧,是热核系统点火后维持高温并持续放能的现象。
热核系统只有充分燃烧,才能获得高能量增益。
聚变反应能释放巨大的能量,实现可控的聚变反应是人类未来能源的希望。
聚变点火和燃烧必须在高温和高压下才能实现,而且要维持足够长的时间。
自然界中这样的热核反应只在恒星内部,由于恒星巨大的质量,通过万有引力约束高温高压等离子体,使聚变反应持续地进行下去。
在地球上要创造聚变的条件,主要采用磁约束聚变和惯性约束聚变两种不同途径。
惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,以下简称ICF)是利用激光或激光产生的X射线作驱动源,均匀地加热装填氘氚(DT)燃料的微型球状靶丸外壳表面,形成高温高压等离子体并向外喷射,产生反冲压力,快速地向内压缩靶丸未加热的部分,使DT主燃料层密度达到每立方厘米几百克质量,并在DT燃料芯部形成高温高密度热斑,点燃聚变反应。
燃烧从中心向外迅速地在被压缩的主燃料层中传播,靶丸自身的惯性约束高温高密度燃烧需要足够长的时间,进行充分的燃烧后,放出大量聚变能,获得能量增益。
这就是ICF的中心点火的概念,可以归纳为四个阶段:靶丸加热、内爆压缩、聚变点火及聚变燃烧,如图1所示。
图1 惯性约束核聚变各阶段示意图1960年激光器问世不久,前苏联的科学家Basov和我国科学家王淦昌等就各自独立提出利用激光实现实验室聚变反应的建议。
自二十世纪七十年代初,随着激光技术的进步,ICF研究取得了实质性进展,正在向点火目标迈进。
美国美国劳伦斯里弗摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)于2014 年完成了高熵压缩的内爆实验,氘氚聚变中子产额接近1016,首次在实验室内实现了α 粒子自加热,核反应放能超过了聚变燃料的吸能,标志着聚变点火研究首次走到了“悬崖”底下。
激光惯性约束核聚变历程回眸
激光约束核聚变
拓展核聚变能源的应用领域,如海洋能源、太空能源等,为人类未来 的可持续发展提供更多选择。
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美国能源部下属的国家点火装置是全球最大的激光装置,用于进行激光约束核聚变实验。 该装置拥有192条激光束,能够产生相当于太阳表面温度数倍的高温高压环境。
激光聚变研究中心(CFETR)
中国计划建造的激光聚变研究中心,将集结多学科领域的研究力量,致力于激光约束核聚 变技术的研究和开发。
欧洲联合环(JET)
04
激光约束核聚变的未来
为了实现更高效的核聚变,需要 提高激光器的能量输出,以产生 更高的温度和压力,从而增加聚
变反应的效率。
优化靶丸设计
改进靶丸的结构和材料,以提高其 对激光能量的吸收率和热压缩程度, 从而增加聚变反应的效率。
探索新型激光技术
研究和发展新型激光技术,如超快 激光和量子级联激光,以提高激光 的脉冲宽度和能量密度,为核聚变 提供更有效的能量源。
技术挑战与解决方案
技术挑战
包括激光技术、反应堆设计、燃料循环等方面的挑战,如激光束的稳定性和可 靠性、反应堆的高温高压环境等。
解决方案
针对不同的技术挑战,采取相应的解决方案,如研发更先进的激光器技术、优 化反应堆设计和燃料循环等。
03
激光约束核聚变实验与 进展
实验设施与设备
国家点火装置(NIF)
激光束质量
激光束的质量对约束核聚 变至关重要,包括光束的 聚焦能力、光束发散角和 光束稳定性等。
激光能量传输
通过光学系统将激光能量 高效地传输到目标上,同 时保持激光束的质量和稳 定性。
核聚变反应堆设计
靶室设计
用于容纳核聚变燃料,并承受高能激光束的冲击 和高温高压环境。
惯性约束核聚变 知乎
惯性约束核聚变知乎
惯性约束是一种实现核聚变的方法。
惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体,装入直径约几毫米的小球内。
从外面均匀射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸发,受它的反作用,球面内层向内挤压(反作用力是一种惯性力,靠它使气体约束,所以称为惯性约束),就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样,小球内气体受挤压而压力升高,并伴随着温度的急剧升高。
当温度达到所需要的点火温度(大概需要几十亿度)时,小球内气体便发生爆炸,并产生大量热能。
这种爆炸过程时间很短,只有几个皮秒(1皮等于1万亿分之一)。
如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去,所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。
原理上虽然就这么简单,但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率,离需要的还差几十倍、甚至几百倍,加上其他种种技术上的问题,使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。
能源科学中的核聚变能源:探索可控核聚变技术的发展与实现清洁能源的未来前景
能源科学中的核聚变能源:探索可控核聚变技术的发展与实现清洁能源的未来前景摘要核聚变能源作为一种清洁、安全、高效的未来能源形式,备受瞩目。
本文深入探讨了可控核聚变技术的发展历程、原理、主要技术路线以及面临的挑战。
通过分析国内外核聚变研究的最新进展,本文旨在揭示核聚变能源的巨大潜力,并展望其在未来能源格局中的重要地位。
引言随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严峻,寻找清洁、可持续的能源已成为人类面临的重大挑战。
核聚变能源作为一种理想的替代能源,具有燃料资源丰富、无碳排放、安全性高等优势,被誉为“终极能源”。
然而,实现可控核聚变仍然面临着巨大的技术挑战。
核聚变的原理与优势核聚变是两个轻原子核(如氘和氚)结合成一个较重的原子核(如氦),并释放出巨大能量的过程。
核聚变是太阳和其他恒星的能量来源,也是氢弹爆炸的原理。
与核裂变相比,核聚变具有以下优势:1. 燃料资源丰富:核聚变的燃料氘和氚可以从海水中提取,储量几乎无限。
2. 清洁无污染:核聚变不产生温室气体和放射性废物,对环境友好。
3. 安全性高:核聚变反应条件苛刻,一旦失控会自动熄灭,不会发生类似核裂变的链式反应。
4. 能量密度高:核聚变释放的能量远高于核裂变,单位质量燃料产生的能量是化石燃料的数百万倍。
可控核聚变技术的发展历程可控核聚变研究始于20世纪50年代,至今已有近70年的历史。
早期研究主要集中在磁约束核聚变(Magnetic Confinement Fusion, MCF)和惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion, ICF)两种技术路线上。
1. 磁约束核聚变:利用强磁场将高温等离子体约束在环形装置(如托卡马克)内,使其发生核聚变反应。
国际热核聚变实验堆(ITER)是目前最大的磁约束核聚变装置,预计将于2025年开始运行。
2. 惯性约束核聚变:利用高能激光或粒子束轰击氘氚靶丸,使其瞬间压缩和加热,达到核聚变条件。
《激光约束核聚变》PPT课件
石油 石油被称为工业血液,作为重要战略资源其分布
极度不平衡。且作为矿物燃料其具有不可再生的特点。 中国成为第二号石油进口国,石油依赖进口成
为不可回避话题。中国经济参与国际分工与竞争不可 逆转,由此引出的中国石油安全问题,应该引起我们 足够的重视。
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1939年8月2日,流亡美国的 德国物理学家爱因斯坦向罗 斯福总统建议,应抢在纳粹 之前研制出原子弹。 人类下一次战争若使用核武器, 再下一次战争就只能使用木棒了
22 2021/3/8
1958年8月,周恩来和陈毅、贺龙陪同外宾参观中国科学院原子能研究所
19 2021/3/8
Manhattan Project
美国陆军部于1942年6月开始实施 的利用核裂变反应来研制原子弹的 计划
罗斯福总统赋予这一计划以 “高于一切行动的特别优先权”
曼哈顿计划
终极目标是 赶在战争以前造出原子弹
20 2021/3/8
1945年7月15日凌晨5点30分,世界上第一颗原子弹 试验成功。 8月6日和9日,美国分别在日本的广岛和长崎投下了 原子弹。 日本天皇于14日宣布无条件投降,第二次世界大战 结束了
知到智慧树《大国脊梁》单元测试答案汇总
知到智慧树《大国脊梁》单元测试答案汇总知到才智树《大国脊梁》单元测试第一章单元测试1、单选题:()是举世公认的人类航天科技的重要开创者和主要奠基人之一。
A:钱伟长B:钱学森C:李大钊D:陈赓答案:【钱学森】2、单选题:()是中国现代力学和系统工程理论与应用争论的奠基人,被誉为"中国航天之父"。
A:李政道B:钱学森C:陈赓D:钱伟长答案:【钱学森】3、推断题:20世纪60年月,我空军部队使用新装备的国产"红旗-2号"地空导弹,曾多次击落侵害我领空的美国U-2高空侦察机。
()A:对B:错答案:【对】4、多选题:《大国脊梁》课程教学目标主要在于引导青年高校生()A:向前辈学习B:向英雄学习C:向自己学习D:向榜样学习答案:【向前辈学习;向英雄学习;向榜样学习】5、多选题:学院院长陈赓伴随钱学森参观了()等。
A:炮兵工程系B:其他选项都不正确C:空军工程系D:海军工程系答案:【炮兵工程系;空军工程系;海军工程系】其次章单元测试1、单选题:1950年,王淦昌在中科院近代物理争论所带领开展()的争论。
A:人为核裂变B:大气污染防治C:水下核武器D:宇宙射线答案:【宇宙射线】2、单选题:第一颗原子弹爆炸前,()亲自坐着吊车验收爆炸装置。
试验中对待每个数据都一丝不苟,严谨的工作态度使得一次次试验获得成功,为我国核武器研制工作做出了巨大贡献。
A:王淦昌B:李政道C:毛明D:钱三强答案:【王淦昌】3、推断题:具有敏锐科学洞察力的王淦昌教授依据科学进呈现状提出了两个进展方向:查找包括超子反粒子在内的各种新奇粒子和争论基本粒子在高能核作用下产生的规律。
()A:错B:对答案:【对】4、多选题:1964年,王淦昌与苏联著名科学家巴索夫同时独立地提出激光惯性约束核聚变的新概念。
他是()。
A:乐观促成建立了高功率激光物理联合试验室B:乐观指导原子能争论所开展电子束泵浦氟化氢激光器等的争论C:中国惯性约束核聚变争论的奠基者;D:始终指导惯性约束核聚变的争论;答案:【乐观促成建立了高功率激光物理联合试验室;乐观指导原子能争论所开展电子束泵浦氟化氢激光器等的争论;中国惯性约束核聚变争论的奠基者;;始终指导惯性约束核聚变的争论;】5、多选题:王淦昌曾任()、中国核科学的奠基人和开拓者之一。
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能 源 信息 四 则
2 2 0kv
199 3 5
东 善 桥 开 关站 并 网 投运
时 3 2 分 南 京 华 能 电力 进 入 该 市 的 唯 一 入 口
,
。
220 k v
沐刊 讯〕
年
月
,
3 日下 午 4
东善 桥 开关 站 启 动 并 网 投 运 一次 成 功
。
—
华 能 南京 电 厂 的 骨 干 配 套 工 程 东善 桥 开 关 站 地 处 江 宁县 东 善 桥 乡 置 身 于 该 市 几 个 重
,
要 枢 纽 变 电 站 中心
,
该 站 现 已 建成 的
, 3 0 OM 、
、
7
条 进 出 线 中 两 条 向北 跨 越 长 江 通 过华 能南 京 电 厂
,
,
、 。
,
输 出开 关站 与 电 厂 的 两 台 景 建设
,
; 发 电机 组 联 接 正 等待 机 组 发 电 另 外几 条线 路 分 别 向
,
、
。
目 前 热 核 聚 变 研 究 形 成 了 两 大 分 支 一 是 主 攻 磁 约 束 核 聚 变 (简 称 M c F ) 另 一分 支 是
:
,
主 攻 激 光 核 聚 变 的 惯 性 约 束 核 聚 变 (简 称 I c F )
。
0 年代 以 来 受 控核 聚 变 研 究 装置 尤 其 是 5
西 或 向东 与 2 2 ok v 的 大 定 坊 龙 山尧 化 门 莫愁 湖等 枢 纽 变 电 站联 接
开 关 站 还 为 该市 的 远
。
引 途 经南 京 的 — 东 善桥 开 关 站 工 程 总 投 资 约
,
下
S O0 k v
繁 斗 线 电 能 备好 了基础 设施
, , ,
,
。
25 00
万 元 历时 两 年 半 由江 苏 省 送 变 电 公 司 等 施 工
,
、
日
、
前 南 京 供 电 局 在 短 暂 的 五 天 时 间 里 放弃 节 假 日 休 息 冒 雨 进行 了 断 接 试 开 关控 制 系统 等 工作 确 保 了开 关 站 启 动并 网 一 次 成功
、
。
2 2 0k v
尧大线 调
江苏 省 电力 局 南京 市 政 府 领导 人 为 并 网 投 运典 礼 剪 了 彩
) 上 运 转 的北 京谱 仪 ( B
。
S E
)又 完 成 了测量
!
轻子 质 量 的
重 要 实 验 被誉 为 近 年 最重 要 的发 现 因 此 可 以说 在地 球 上 的 自然 资 源 日 趋 枯竭 的 今天 能
否在 2 1 世 纪 实 现 激 光惯 性 约 束 核 聚 变 发 电是 具 有 极 其 重 要 的 战略 意 义
(高 能 量 的 激 光 ) 能 量 大近百 倍 的 聚 变能
10 l a cm
。
t 值 已达 到 近 几 年 来 世 界 上 个 别 实验 室 的 n
, , ,
/
:
。
,
与 实 现 点 火 的 条 件仅 差 一 个 数 量 级 当 前 科 学 家 们 正 在 向 演 示 点 火 和 中等 增 益 方
,
,
本条 件
7
。
实 现 激 光 惯 性 约 束 核 聚 变 的 关 键 是 驱 动 器 产 生 出 的激 光能 量能 把 氛 和 氮 加 热 到
0 ℃ 以 上 以 克 服 原 子 核 间 的 库 仑 力 使 氛 核 和 氖核 聚 合 靠 近 到 核 力作 用 范 围 1
, ,
:
‘x
10 1 -
喻 的量
,
、
、
。
欧 美 日本 及 港 台地 区 的 制 造 商 将 会 同 大 陆工 业 界共 同展 出 展 出 面 积 约 三 万 平方 米
,
,
、
、
。
为 全 方 位 搞好 对外经 济技 术交 流 与 合作 中 国机 械工程 学 会还 将 同 时联 合 1 2 个 国 家和
能 源研 究 与利 用
19 9 3
年第
3
期
1 世 纪新能 源 的 曙光 2
—
、
激光 惯 性 约 束核聚 变
林 华顺
’
摘编
仁 苏 省 林 业 科 学研 究 所
,
。
随 着 人 类 的能 源 需 求 的 日 益 增 长 不断地 开 发 利 用 新 能 源一 直是 各 国 学 者 的 研 究 课 题
其 中原 子 能 的 研 究 开 发 利 用 已 成 为最 有 前 途 最 受重 视 的 能源 之 一
”
, ,
,
。
例如
,
198
年在
,
意 大 利 召开 的 战 争 与 和 平 国 际 会 议 上 美 国 曾 透 露 了 他 们 能 够 从 核 武 器 爆 炸 后 引 出 一 部 分 能 量 转换 成
,
x
光 能 量 来 压 缩 气 氮 小球 点 火 以 应 用 于 高 增 益 I c
G
F
试 验 的 最 新 进展 并 预
l ( 万 焦 耳 级 ) 装 置也
计在
19 9 7
; 年 完 成 点 火 和 中等增 益 的 演 示 日 本 大 阪 大 学 的
k e
ko x
已
能 获得 近
6
0 倍 高压 缩 比 的
,
D T
靶 丸 计 划 将该 装 置 升 级 到
,
,
10
J k
,
波长
0
.
35林 m
,
于本 世 纪
,
; 末 实 现 点 火 目标 我 国 氛 和 氖 的 资 源 蕴 藏 是 十 分 丰 富 也 容 易 获取
本研 究是 在 张 华 先生主 持 下 完 成 的
1993
年第
3
期
能源 研 究与 利 用
,
子 数 额达
, ,
s x 1 0 5 ~ 4 汉 1 0 “ 的 间 接 驱 动 中子 实验
表明D
,
T
微 球 已 发 生 了 热核 反 应
,
1992
年
,
4
月 初 在 北 京正 负 电子 对撞 机 (B E
c P
, , ,
。
由此 看 来 在 本 世 纪 末 可 望 完 成 激 光 核 聚 变科 学 的 可行 性 实 验 验 证 到 2 1 世纪 即 可 走 出 实 验 室 进 入 建 堆 发 电的 实 用 阶段 这 是 现 代 科技 发 展 的 趋 势 向努 力 目前 激 光
“
,
IC F
的 研 究 已 取得 了 很 大的进 展 并 受 到 各 国政 府 的 重视
, , ,
惯 性 约 束 核 聚 变 的研 究有 了很 大 的 进 展 自 7 0 年代 初 I c
,
。
F
的研 究 与 近 代科 学 技 术 关 系 密 切 并 且 在 国 防 和 民 用 等 高 科 技 领 域
。
中通 过激 光 惯 性 约 束 核聚 变 的 研 究 来得 到 和 应 用核 聚 变 能 将 为 人类提 供 一 种新 能 源 被 称 作
,
级 以 内 从而 形成
,
D T
等 离 子体 再 将
,
,
D T
等 离 子 体 内均 匀对 称地 压 缩 到 足 够 的 密 度 利 用 惯
, ‘
n 值大 于 1 0 性 约 束 足 够 长 的 时 间 使 它 们 的 劳逊 判 据 T
,
m c
s /
,
最低 温 度不 低 于
,
5x 1
o : 0
K
,
这
样 等 离子 体 的离 子 和 电子 温度 就 超过 了 点 火 温 度 从 而 发 生 并 自持 核 聚变 释 放 出 比 入 射 光
持 是 足 够 长 的 时 间 然后 中 心 局 部 区 域 的 温 度 因 超 过 某 个 特 定值 而 引燃 压 缩 后 的高 密度
,
, ,
。
D T
靶 丸 进 行 充 分 热 核 反 应 释 放 出 大 量 能 量 因 此 要 得 到激 光 惯性 约 束 核 聚 变 能 必 须 满 足 有
: 足 够 的 粒 子 密 度 (n ) 和 在 该 密 度 下 的 约 束 时 间 ( ) 以 及 它 的 温 度 必 须 超 过 点 火 临 界 值 等基
“
,
高增 益 的 激 光 惯性 约 束 核 聚 变
。
] 2
世 纪 能源 应 用 方 面的 曙 光
,
激 光 惯性 约 束 核聚 变 能 就是 利 用 驱 动 器 (高 功 率 激 光器 ) 产 生高 能 量的 激 光 将 氛 氖
”
,
(D T ) 组 成 的 燃 料 靶 丸均 匀 对 称地 压 缩 至 高密 度 状 态 并 且 利 用 惯性 使 靶 丸 的 高 密 度状 态 维
。
(胡 行 伟 )
第二 届国际 工业装 备 展 明 年十 月在 沪举 办
〔 本 刊 讯 〕受机 械工 业 部 委 托 中 国 机 械 工 程 学 会 中 国 贸 易学 会 机 电 行 业 分 会
,
、
、
中 国机
械 对 外 经 济 技 术合 作 总 公 司 将 于 际 工 业 装备与 成 套 设 备 展 览 会
,
。
199 4
年 1 0 月
、
、
24
日至 2 9
、
日 在 上 海 联合 举 办 第 二 届 中 国 国
、