聚变能源概论

本书从能源的基本概念和太阳等恒星中的聚变开始，讲述人造太阳一受控核聚变可以利用的聚变反应及不同反应的比较；从能源系统的功率平衡概念出发，阐明聚变实现能源利用的必备条件：从如何实现聚变条件，讲述几种可能实现受控聚变的主要途径；从物理走向工程，讲述聚变堆和聚变电站面临的物理和工程挑战；最后从聚变能源和聚变研究的特点出发，在社会发展和人类文明进步的高度探讨聚变能源研发的前景。本书可作为聚变能源相关课程的教材，也可用于对聚变感兴趣的普通读者阅读。

第1章 绪论 1

1.1 备受关注的聚变能 1

1.2 何为能源 2

1.3 多种多样的能源 4

思考题 7

第2章 太阳中的聚变 8

2.1 太阳中的能量从何而来 8

2.2 太阳中的聚变反应 10

2.3 太阳聚变的实现条件 13

思考题 13

参考文献 14

第3章 可用的受控聚变反应 15

3.1 聚变反应的一般性讨论 15

3.2 聚变反应截面与反应率系数 16

3.2.1 反应截面与反应率系数 16

3.2.2 主要聚变反应的反应截面 20

3.2.3 主要聚变反应的反应率系数 22

3.3 理想聚变反应 23

3.4 D-T反应——最容易实现的反应 23

3.5 D-D反应——燃料最丰富的反应 24

3.6 D-3He反应——无中子反应 25

3.7 基于质子的无中子反应 26

3.7.1 p-6Li反应 26

3.7.2 p-9Be反应 27

3.7.3 p-11B反应 27

3.8 聚变反应的比较和选择 27

思考题 28

参考文献 29

第4章 从聚变反应到聚变能 30

4.1 热核聚变 30

4.2 聚变功率的产生与损失 32

4.3 零维功率平衡 34

4.4 能量得失相当------劳逊判据 35

4.5 点火条件 37

4.6 能量增益 41

4.7 热稳定性 44

4.8 加热功率 47

4.9 小结 49

思考题 50

参考文献 51

第5章 聚变等离子体物理初步 52

5.1 什么是等离子体 52

5.2 等离子体中的单粒子运动 55

5.3 作为流体的等离子体 56

5.4 等离子体中的碰撞和波-粒子共振 57

思考题 60

参考文献 60

第6章 实现受控聚变的约束途径 61

6.1 约束的一般概念 61

6.2 磁约束 62

6.2.1 磁约束聚变原理 62

6.2.2 磁约束位形分类 66

6.2.3 箍缩位形 67

6.2.4 磁镜和最小场 69

6.2.5 仿星器 71

6.2.6 托卡马克 75

6.2.7 球形托卡马克 77

6.2.8 紧凑环 79

6.2.9 悬浮偶极场 80

6.3 惯性约束 81

6.3.1 惯性约束聚变原理 81

6.3.2 激光聚变 83

6.3.3 Z箍缩和离子束聚变 86

6.4 其他奇思妙想或胡思乱想 86

6.4.1 磁惯性聚变 86

6.4.2 静电聚变 89

6.4.3 冷聚变与气泡聚变 90

6.4.4 子聚变 93

6.5 比较与思考 94

思考题 94

参考文献 95

第7章 点火条件下的聚变装置规模 96

7.1 托卡马克装置的基本结构 96

7.2 温度——等离子体加热 97

7.2.1 欧姆加热 97

7.2.2 辅助功率加热 98

7.3 密度——受限制的密度 100

7.3.1 密度极限 101

7.3.2 比压极限 102

7.4 能量约束时间——约束定标与装置尺寸 103

7.4.1 经典输运 104

7.4.2 新经典输运 105

7.4.3 反常输运 108

7.4.4 经验定标律 108

7.5 点火托卡马克的规模与参数估计小结 109

思考题 110

参考文献 111

第8章 从聚变装置到聚变电站 112

8.1 聚变电站设计的主要影响因素 112

8.2 D-T聚变电站的基本结构 114

8.3 等离子体-壁相互作用 116

8.3.1 第一壁 116

8.3.2 偏滤器 117

8.3.3 第一壁材料选择 118

8.4 聚变包层 119

8.4.1 聚变包层的功能与结构 119

8.4.2 混合堆包层 121

8.4.3 包层厚度估算 122

8.5 聚变燃料循环 123

8.6 磁体与稳态运行 124

8.7 辐射 126

8.8 挑战性工程技术 127

思考题 128

参考文献 128

……