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1、2010.09.15,2010年9月16日,激光约束核聚变,李 莉,2010.09.15,二、原子能,一、背景知识,三、激光约束核聚变,2010.09.15,一 背景知识,2010.09.15,当今世界能源是文明的基础,各国经济的发展与能源密切相关,能源与人们的日常生活密切相关,当前的地区冲突与矛盾往往与能源有关。,2010.09.15,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。,石油,2010.09.1
2、5,2010.09.15,石油对国际关系的影响,1935年,意大利入侵埃塞俄比亚,国联没有把石油等战略物资列入禁运的范围1940年,日本向东南亚扩张,英美等国对日本实行禁运,包括石油等战略物资,日本为夺取战略资源,发动太平洋战争西亚海湾地区的部分国家由于石油资源丰富,成为帝国主义争夺和控制的焦点,长期以来一直受西方大国控制。,2010.09.15,煤炭,1、西汉开始用煤炭作燃料,2、第一次工业革命发明了以煤为燃料的蒸汽机,煤的开采迅速发展,3、魏源的海国图志介绍了西方的蒸汽机,洋务运动引进了先进的蒸汽机器。,4、改革开放后,中国的煤产量世界第一,概 况,2010.09.15,特点:能量高,运用
3、广泛;但资源有限,污染严重,作用:在古代提高了手工业生产的效率,方便人民的 生活。在近代使社会生产由手工操作发展到机 器生产。也促进了交通和军事的近代化。同时 造成了环境污染。,2010.09.15,1958年兖州煤田唐村煤矿建矿初期,男职工推磨车提煤,2010.09.15,1988年兖州煤田唐村煤矿员工在全国掘进上岗竞赛中,2010.09.15,2009年8月12日,安全员在兖矿集团济三煤矿进行井下巡查,2010.09.15,2009年8月12日,在兖矿集团济三煤矿调度指挥控制中心里,工作人员查看井下各个流程的工作情况,2010.09.15,2009年8月12日,采煤机在兖矿集团济三煤矿井下
4、作业,2010.09.15,中国煤矿已经成为世界上最危险的煤矿,平均每年造成至少5000人死亡。中国煤炭产量约占全球的33%,而煤矿事故死亡人数约占79%。,2010.09.15,条件:科学理论的重大突破 法拉第的电磁感应现象,电力,概 况,1866年,德国人 西门子制成发电机,19世纪七十年代,出现了一系列电气发明,电灯、电车、电动工具相继问世。并引发了电报、电话等发明,带动了电子工业的发展。,2010.09.15,特点:动力可以随意调节、转化,使用方便;传输快捷,不受时间、地点限制,污染少,电力的来源广,可以有水电、火电、核电等。,影响:使人类社会进入“电气时代”,2010.09.15,原
5、子能,条件:爱因斯坦的相对论,美国的曼哈顿计划,概 况,1954年苏联建成第一座核电站,1958年,中国第一座原子能反应堆,60年代中国第一颗原子弹、氢弹,1993年,大亚湾核电站,2010.09.15,特点:能量巨大,效率高,技术要求高。有辐射和巨大破坏性,影响:核能的开发和利用,是人类能源的一场革命。极大的提高了社会生产力,推动社会进步。但 核能用于军事,给人类带来了毁灭性的威胁,成为当代国际关系的重大问题。,2010.09.15,曼哈顿计划,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
6、别优先权”,终极目标是赶在战争以前造出原子弹,2010.09.15,1945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,“小男孩”,“胖子”,“瘦子”,2010.09.15,1939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。,爱因斯坦自认为犯下一生最大错误,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,2010.09.15,1958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,2010.09.15,
7、周恩来与钱三强,2010.09.15,接见科学家钱学森,2010.09.15,核能对国际关系的影响,1、1945年,美国在日本的广岛和长崎投下原子弹,造成巨大伤害。,2、两极格局下,美苏展开核军备竞赛,严重威胁世界和平和安全。,3、1983年,美国实施“星球大战”计划,4、美国退出“反导条约”,5、朝鲜退出“核不扩散条约”,6、印、巴核试验,2010.09.15,二 原子能,2010.09.15,原子能,原子能又称“核能”。原子核发生变化时释放的能量。,重核裂变轻核聚变,原子核电子,质子中子,原子,2010.09.15,一个铀-235原子有92个电子,其原子核由92个质子和143个中子组成。5
8、0万个原子排列起来相当一根头发的直径。,如果把原子比作一个巨大的宫殿,其原子核的大小只是一颗黄豆,而电子相当于一根大头针的针尖。,一座100万千瓦的火电厂,每年要烧掉约330万吨煤,要用许多列火车来运输。而同样容量的核电站一年只用30吨燃料。,2010.09.15,重核裂变,在50多年前,科学家发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂,同时放出23个中子和大量的能量,放出的能量比化学反应中释放出的能量大得多,原子弹就是利用原子核裂变放出的能量起杀伤破坏作用,核电反应堆也是利用这一原理获取能量,所不同的是,它是可以控制的。,2010.09.15,2010.09.15,1945年7月16日世界
9、第一颗原子弹,1964年10月16日中国第一颗原子弹,2010.09.15,核反应堆是核电站的心脏,,2010.09.15,轻核聚变,它是取得核能的重要途径之一。,由质量小的原子,主要是指氘或氚,在一定条件下(如超高温和高压),发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。,2010.09.15,D+DT(1.01 Mev)+P(3.03 Mev)D+DHe3(0.82 Mev)+n(2.45 Mev)D+THe4(3.52 Mev)+n(14.06 Mev),2010.09.15,2010.09.15,相比核裂变,核聚变几乎不会带来放射性污染等环境
10、问题,而且其原料可直接取自海水中的氘,来源几乎取之不尽,是理想的能源方式。,优点:前景相当诱人。,不受控制的核聚变:,已实现 如氢弹的爆炸(比原子弹威力更大),可控制的核聚变:,未实现,2010.09.15,目前主要的几种可控核聚变方式:超声波核聚变 激光约束(惯性约束)核聚变 磁约束核聚变,因为进行核聚变需要的条件非常苛刻:发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行,因此又叫热核反应。,2010.09.15,磁约束受控热核聚变,我国新一代热核聚变装置EAST,2010.09.15,原理:用磁场把氘氚等氢原子核和自由电子组成的,处于热核反应状态高温等离子体约束在有限的体积内,使它受控地发生大量原子
11、核聚变。,2010.09.15,三 激光约束核聚变,2010.09.15,原理:使用强大的脉冲激光束照射氘、氚燃料的微型靶丸上,在瞬间产生极高的高温和极大的压力,被高度压缩的稠密等离子体在扩散之前,向外喷射而产生向内聚心的反冲力,将靶丸物质压缩至高密度和热核燃烧所需的高温,并维持一定的约束时间,完成全部核聚变反应,释放出大量的聚变能。,2010.09.15,2010.09.15,聚变反应所要求的条件却极为苛刻:首先要有1亿度左右的高温;其次,参与反应的粒子密度要足够高并能维持一定的反应时间,即n值要达到1百万亿(秒/厘米3)以上,这就是著名的劳逊判据。,一些国家的实验室已经在这类激光装置上作了
12、大量的基础研究工作。美国、法国等已着手建造更大规模的巨型激光器,期望能够实现激光热核“点火”。,2010.09.15,“以身许国”的王淦昌(1907-1988),2010.09.15,中国工程物理研究所集结了一大批中国物理学界的优秀人才,原子弹、氢弹的爆炸成功,正是他们集体智慧的结晶。,清华大学物理系第一届本科生,1930年到德国留学,1934年获博士学位,1950年任中国科学院近代物理研究所 研究员,,2010.09.15,1956年到前苏联杜布纳联合原子核研究所工作。后在我国二机部工作,1978年任二机部副部长兼原子能研究所所长,为两弹的制造贡献了力量。在学术上也建树颇丰。担任中国核学会理
13、事长,中国物理学会副理事长。,2010.09.15,1959年月,王淦昌从万张照片中发现了反西格马超子。1964年,独立提出用激光进行惯性约束以产生核聚变。,2010.09.15,“死而无憾”的邓稼先(1924-1986)杨振宁的中学校友,并和杨振宁同在美国 从事物理的研究。,只有26岁,被人称为“娃娃博士”。,造出中国的争气弹原子弹,2010.09.15,我国激光器的发展,2010.09.15,高功率激光和核聚变研究,1964年提出,1965年立项,六十年代初,我国激光聚变研究刚刚起步的时候,钱学森形像地指出:你们的事业是地球上人造一个小太阳!,ICF研究中关键设备:大功率的激光器。,201
14、0.09.15,两弹一星功勋王大珩,“第一台激光器”,2010.09.15,我国各类激光器的“第一台”,第一台固体红宝石激光器 1961年9月 王之江等第一台He-Ne激光器 1963年7月 邓锡铭等 第一台掺钕玻璃激光器 1963年6月 干福熹等 第一台GaAs同质结半导体激光器 1963年12月 王守武等第一台脉冲Ar+激光器 1964年10月 万重怡等第一台CO2分子激光器 1965年9月 王润文等第一台CH3I化学激光器 1966年3月 邓锡铭等第一台YAG激光器 1966年7月 屈乾华等,2010.09.15,2010.09.15,神光-激光驱动器,第一个激光专业研究所-中国科学院上
15、海光机所,2010.09.15,总建筑面积4612平方米,为4层钢筋混凝土框架结构,总高度15米。该装置输出两束口径为200mm的强光束,每束激光的峰功率达1万亿瓦,脉冲宽度有1ns和100ps两种,波长为1.053m的红外光,可倍频到0.53m绿光。,2010.09.15,神光-II 激光驱动器,2010.09.15,2010.09.15,国际上只有少数发达国家的著名实验钛宝石激光装置输出功率超过100万亿瓦,2004年4月,神光装置成功突破100万亿瓦大关,输出峰值功率达到120万亿/36飞秒,规模比神光-装置扩大4倍,。,2010.09.15,神光在1000万亿分之36秒的超短瞬间内,迸发出相当于全球电网发电总和数十倍的强大功率.,不论是国外还是国内,巨型激光驱动器都是综合国力的反映,能够代表一个国家在这一领域的科技水平。它的研制对相关科学技术有重大的带动作用。,2010.09.15,神光-III激光驱动器,1995年,激光惯性约束核聚变在“863计划”中立项,2007年2月4日,举行了盛大的开工奠基仪式。,地点:绵阳中国工程物理研究院内,建筑面积28154m2,平面布置:呈长方形布置,建筑物总长178m,总宽75m,建筑结构十分复杂,国家中长期科学和技术发展规划的 十六项重大专项之一,2010.09.15,