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美设计新核聚变反应堆 成本低于燃煤发电
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凤凰科技讯 北京时间10月10日消息 科学日报报道，聚变能听起来似乎好的令人难以置信&&零温室气体排放，没有长久存在的放射性废弃物，它是一种几乎无限量的能源供应。而采用聚变能面
凤凰科技讯 北京时间10月10日消息 科学日报报道，聚变能听起来似乎好的令人难以置信&&零温室气体排放，没有长久存在的放射性废弃物，它是一种几乎无限量的能源供应。而采用聚变能面临的最大障碍可能是经济学问题。核聚变发电设计还没有便宜到可以取代现有的利用化石燃料，例如煤炭和天然气的系统。美国华盛顿大学的工程师们希望改变这一现状。他们设计了一种概念核聚变反应器，但它变成大型电厂的规模时，将可以与相似电量产出的燃煤火力发电厂所耗费成本相当。研究小组的核聚变反应堆设计以及成本分析研究于去年春天被发表，它将在10月17日俄罗斯圣彼得堡召开的国际原子能机构的聚变能会议上展示。
概念核聚变反应器 &就目前为止，这一设计具有产生非常经济的核聚变发电的巨大潜力。& 华盛顿大学的航空学教授和物理学副教授托马斯&贾尔伯（Thomas Jarboe）这样说道。华盛顿大学研究小组设计的这个名为dynomak的反应堆始于贾尔伯两年前带的一门课的课堂项目。在课程结束后，贾尔伯和他的博士研究生德里克&萨瑟兰（Derek Sutherland）&&他之前在美国麻省理工学院做过反应堆设计的研究&&继续发展并修改了这一概念。 这一设计是建立在现有技术的基础上，在封闭空间里创造了一个磁场从而保证等离子体停留足够长的时间以引发核聚变的产生，使得炙热的等离子体反应并燃烧。反应堆本身主要是自我维持的，这意味着它能够持续的加热等离子体以维持热核条件。反应堆产生的热将加热用于旋转涡轮机并发电的冷却剂，这类似于典型原子动力反应堆的工作原理。 创造一个磁场有好几种方法，这对于维持核聚变反应持续进行是至关重要的。华盛顿大学的反应堆设计被称为球形马克Spheromak（一种自组织的环形等离子体形态），这意味着它通过驱动电流至等离子体里就能够产生大部分的磁场。这极大的减少了所需要的材料量，使得研究人员能够缩减反应堆的整体大小。 其它的设计，例如目前正在法国建造的实验性核聚变反应堆项目国际热核聚变实验堆（ITER），它就比华盛顿大学的设计要大得多，因为它依赖于环绕设备外部的超导线圈提供相似的磁场。与法国的核聚变反应堆概念相比，华盛顿大学的设计成本要低廉得多&&大约是ITER的1/10&&但同时产生的能量是前者的5倍。 华盛顿大学的研究人员计算了使用他们的设计所建造的核聚变反应堆发电厂所耗费的成本，并与建造燃煤电厂的成本进行对比。他们使用了名为隔夜资金成本的度量，后者包括所有的成本，尤其是初始基础设施费用。分析显示一个核聚变发电厂产生10亿瓦特的电量需要耗费27亿美金，而一个燃煤电厂产生相同的电量需要耗费28亿美金。 &如果我们投资这种类型的核聚变，我们肯定可以获得回报，因为这种商业反应堆看起来已经很经济，这真是令人激动不已。&而现在，华盛顿大学研究小组的概念只是实际产品大小和能量产出的1/10，因此还有很多年需要努力。目前研究人员测试了原型高效维持等离子体的能力，随着他们不断研发和扩张设备的大小，他们可以提升到更高温度的等离子体并获得更大的核聚变能量产出。 研究小组已经在华盛顿大学商业化中心就反应堆的设计概念申请了专利，他们计划继续研发并扩大原型的规模。研究小组的其他成员还包括物理学的凯尔&摩根（Kyle Morgan）；航空航天学的艾瑞克&拉文（Eric Lavine）、米加&修斯（Michal Hughes）、乔治&马克林（George Marklin）、克里斯&汉森（Chris Hansen）、布莱恩&维克托（Brian Victor）、迈克尔&普法夫（Michael Pfaff）和亚伦&海萨克（Aaron Hossack）；电子工程学的布莱恩&尼尔森（Brian Nelson）以及前华盛顿大学的上川宇（Yu Kamikawa）和菲利普&艾德尔斯特（Phillip Andrist）。这项研究得到了美国能源部的资金赞助。（编译/严炎刘星）
[责任编辑：马晓宁]
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《等离子体物理与聚变能》适合应用物理和核工程方面的研究生和研究人员阅读。书中搜集的作者在过去二十多年的教学过程中积累的大量习题有助于读者对各章内容的理解。
隐藏全部&& 《等离子体物理与聚变能》是作者在MIT多年教课用的讲义基础上锤炼形成。书中对近年和未来的能源需求和能源出路做了中肯而富有启发性的叙述，阐明了聚变能作为未来主要能源的必然性和紧迫性。同时作者条分缕析地描述了作为聚变工程基础的等离子体物理原理，《等离子体物理与聚变能》作为教材，既全面周到又深入浅出，非常适合所有与聚变或核能有关的人员阅读。第一部分介绍聚变能，包括聚变与世界能源、聚变反应、聚变能的产生、聚变反应器中的功率平衡、简单磁约束聚变反应堆的设计。第二部分介绍聚变能的等离子体物理，包括磁约束聚变综述、聚变等离子体定义、等离子体中的单粒子运动--引导中心理论、单粒子运动--库仑碰撞、自洽二流体模型、MHD-宏观平衡、MHD-宏观稳定性、磁约束聚变概念、输运、加热与电流驱动，最后展望了聚变研究的未来。
隐藏全部&&第一部分 聚变能 第1章 聚变与世界能源 1.1 引言 1.2 现有的能源方式 1.3 聚变能的作用 1.4 本章总结 参考书目 第2章 聚变反应 2.1 引言 2.2 核反应与化学反应 2.3 裂变核能 2.4 聚变核能 2.5 结合能曲线 2.6 本章总结 参考书目 习题 第3章 聚变功率的产生 3.1 引言 3.2 截面、平均自由程和碰撞频率的概念 3.3 反应速率 3.4 分布函数、聚变截面、聚变功率密度 3.5 辐射损失 3.6 本章总结 参考书目 习题 第4章 聚变反应堆功率平衡 4.1 引言 4.2 零维能量守恒关系 4.3 磁约束聚变的一般功率平衡关系 4.4 稳态零维功率平衡 4.5 等离子体内的功率平衡 4.6 反应堆功率平衡 4.7 聚变反应堆的时变功率平衡 4.8 本章总结 参考书目 习题 第5章 简单磁约束聚变反应堆设计 5.1 引言 5.2 一般磁约束聚变反应堆 5.3 反应堆关键设计参数计算 5.4 设计目标,工程和核物理方面的基本限制 5.5 反应堆设计 5.6 本章总结 参考书目 习题第二部分 聚变能等离子体物理学 第6章 磁约束聚变概述 6.1 引言 6.2 等离子体的基本描述 6.3 单粒子行为 6.4 ,自洽模型 6.5 磁流体力学平衡及其稳定性 6.6 磁约束聚变概念 6.7 输运 6.8 加热和电流驱动 6.9 聚变研究的未来 参考书目 第7章 聚变等离子体定义 7.1 引言 7.2 等离子体对稳恒电场的屏蔽——德拜长度 7.3 等离子体对振荡电场的屏蔽——等离子体频率 7.4 低碰撞频率和集体效应 7.5 对磁约束聚变等离子体的额外约束 7.6 宏观行为和碰撞的关系 7.7 本章总结 参考书目 习题 第8章 单粒子运动——导心理论 8.1 引言 8.2 单粒子运动的基本性质 8.3 均匀稳恒磁场中的运动 8.4 稳恒磁场B和电场E下的运动:E×B漂移 8.5 垂直梯度的场下的运动:VB漂移 8.6 弯曲磁场中的运动:曲率漂移 8.7 真空磁场中V漂移和V漂移的综合 8.8 时变电场z和磁场B中的运动:极化漂移 8.9 平行梯度场下的运动:磁矩和磁镜 8.10 本章总结 参考书目 习题 第9章 单粒子运动——库仑碰撞 9.1 引言 9.2 库仑碰撞——数学推导 9.3 试探粒子碰撞频率 9.4 再论磁镜 9.5 高能离子的慢化 9.6 逃逸电子 9.7 净交换碰撞 9.8 本章总结 参考书目 习题 第10章 自洽的双流体模型 10.1 引言 10.2 流体模型的性质 10.3 质量守恒 10.4 动量守恒 10.5 能量守恒 10.6 本章总结 参考书目 习题 第11章 磁流体力学——宏观平衡 11.1 宏观平衡和稳定性的基本问题 11.2 从双流体模型推导磁流体力学模型 11.3 从导心理论推导磁流体力学模型 11.4 磁流体力学平衡——定性描述 11.5 磁流体力学平衡模型的基本性质 11.6 径向压强平衡 11.7 环向力平衡 11.8 本章总结 参考书目 习题 第12章 磁流体力学——宏观稳定性 12.1 引言 12.2 稳定性的一般概念 12.3 磁流体力学不稳定性的物理图像 12.4 理想磁流体力学稳定性问题的一般方程 12.5 无限大均匀等离子体——磁流体力学波 12.6 直线.箍缩 12.7 直线Z箍缩中的m=O模 12.8 直线Z箍缩中的m=1模 12.9 本章总结 …… 第13章 磁约束聚变概念 第14章 输运 第15章 加热与电流驱动 第16章 聚变研究的未来附录
隐藏全部&& “这本书很值得一读。这是目前我见到的对当前聚变科学和等离子体物理研究现状论述得最全面、对主题处理得最简明的一本教材。它对所触及的大部分概念都给出了严格的数学描述，同时又不乏新鲜活泼的直观图像，因此值得强力推荐。” ——T.J.Dolan（Fusion Science and Technology一书作者）
隐藏全部&& 众所周知，多年来，生活质量标准直接与能量消耗成正比。能源在食品生产、家庭取暖与照明、工业设备运行、提供公共与私人交通以及通信保障等方面必不可少。一般来讲，高质量的生活需要由价格合理的充足的能量消耗来保证。 尽管人们已经认识到这些，但现今世界大部分地区的能源状况却不容乐观，并且情况不是在好转而是变得越来越糟。简单地说，就是对新的产能持续增长的需求超过了现有资源配置条件下具有经济可行性和环境友好型方法所能取得的供给。这些需求中，有些来自如北美、西欧和日本等世界工业化区域对能源使用的持续增长，还有很大一部分则来自于正处于快速工业化过程中的国家，如中国和印度。几乎所有关于未来能量消耗的预测都指出，到2100年，世界能源需求量将至少是目前能源消耗量的两倍。 加剧能源供给矛盾的一个重要问题是环境的恶化。特别是有越来越多的证据表明，温室气体排放已开始对环境产生明显的副作用。如果不存在温室气体排放的问题，那么通过增加煤的使用就可以大大缓解能源供给短缺的问题。地球上煤的储量十分充足，然而，如果要减少未来温室气体的排放，那么对主要化石燃料（煤、天然气、石油）的产能就需要设定一个限制。测算表明，现已探明的天然气和石油储量将在未来几十年内消耗殆尽，这将使问题变得更加复杂，而温室气体对环境的影响是我们必须正视的一个问题。因此在下面的讨论中，我们将把能源生产过程中减少温室气体的排放作为一个重要的考虑因素。 ……
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