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1、2010年9月16日激光约束核聚变激光约束核聚变李李 莉莉2010.09.15二、原子能二、原子能一、背景知识一、背景知识三、激光约束核聚变三、激光约束核聚变2010.09.15一一 背景知识背景知识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。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
2、其具有不可再生的特点。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。够的重视。 石油石油2010.09.152010.09.15石油对国际关系的影响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油等战略物资列入禁运的范围1940年，日
3、本向东南亚扩张，英美等国对日本实年，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。西方大国控制。2010.09.15煤炭煤炭1、西汉开始用煤炭作燃料、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，、第一次工业革命发明了以煤为燃料的蒸汽机，煤的开采迅速发展煤的开采迅速发展3、魏源的、魏源的
4、海国图志海国图志介绍了西方的蒸汽机，介绍了西方的蒸汽机，洋务运动引进了先进的蒸汽机器。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、改革开放后，中国的煤产量世界第一概概 况况2010.09.15特点：能量高，运用广泛；但资源有限，污染严重特点：能量高，运用广泛；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。造成了环境污染。201
5、0.09.151958年兖州煤田唐村煤矿建矿初期，男职工推磨车提煤2010.09.151988年兖州煤田唐村煤矿员工在全国掘进上岗竞赛中2010.09.152009年8月12日，安全员在兖矿集团济三煤矿进行井下巡查2010.09.152009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2010.09.152009年8月12日，采煤机在兖矿集团济三煤矿井下作业2010.09.15中国煤矿已经成为世界上最危险的煤矿，中国煤矿已经成为世界上最危险的煤矿，平均每年造成至少平均每年造成至少5000人死亡。人死亡。中国煤炭产量约占全球的中国煤炭产量约占全球的33%
6、，而煤矿事故死亡人数约占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条件：科学理论的重大突破 法拉第的电磁感应现象法拉第的电磁感应现象电力电力概概 况况1866年，德国人年，德国人 西门子制成发电机西门子制成发电机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，带动了电报、电话等发明，带动了电子工业的发展。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
7、点限制，污染少，电力的来源快捷，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。广，可以有水电、火电、核电等。影响：使人类社会进入影响：使人类社会进入“电气时代电气时代”2010.09.15原子能原子能条件：爱因斯坦的相对论条件：爱因斯坦的相对论美国的曼哈顿计划美国的曼哈顿计划概概 况况1954年苏联建成第一座核电站年苏联建成第一座核电站1958年，中国第一座原子能反应堆年，中国第一座原子能反应堆60年代中国第一颗原子弹、氢弹年代中国第一颗原子弹、氢弹1993年，大亚湾核电站年，大亚湾核电站2010.09.15特点：能量巨大，效率高，技术要求高。特点：能量巨大，效率高，技术
8、要求高。 有辐射和巨大破坏性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。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，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。成为当代国际关系的重大问题。2010.09.15曼哈顿计划Manhattan Project 美国陆军部于美国陆军部于1942年年6月开始实施月开始实施的利用核裂变反应来研制原子弹的的利用核裂变反应来研制原子弹的计划计划 罗斯福总统赋予这一计划以罗斯福总统赋予这一计划
9、以“高于一切行动的特别优先权高于一切行动的特别优先权” 终极目标是终极目标是赶在战争以前造出原子弹赶在战争以前造出原子弹 2010.09.151945年年7月月15日凌晨日凌晨5点点30分，世界上第一颗原子弹分，世界上第一颗原子弹试验成功。试验成功。8月月6日和日和9日，美国分别在日，美国分别在日本日本的的广岛广岛和和长崎长崎投下了投下了原子弹。原子弹。 日本天皇日本天皇于于14日宣布无条件投降，日宣布无条件投降，第二次世界大战第二次世界大战结束了结束了 “小男孩小男孩” “胖子胖子” “瘦子瘦子” 2010.09.151939年年8月月2日，流亡美国的日，流亡美国的德国物理学家爱因斯坦向罗德
10、国物理学家爱因斯坦向罗斯福总统建议，应抢在纳粹斯福总统建议，应抢在纳粹之前研制出原子弹。之前研制出原子弹。爱因斯坦自认为犯下一生最大错误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，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再下一次战争就只能使用木棒了 2010.09.151958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，年，美国在日本的广岛和长崎投下原子弹，造成巨大伤害
11、。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、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。和平和安全。3、1983年，美国实施年，美国实施“星球大战星球大战”计划计划4、美国退出、美国退出“反导条约反导条约”5、朝鲜退出、朝鲜退出“核不扩散条约核不扩散条约”6、印、巴核试验、印、巴核试验2010.09.15二二 原子能原子能2010.09.15原子能原子能原子能又称原子能又称“核能核能”。原子核发生变化时释放的能量。原子核发生变化时释放的能量。 重核裂变重核裂变轻核聚变轻核聚变 原子核原子核电子电子 质子质子中子中子 原子原子 2010.09.15一个铀一个铀-
12、235原子有原子有92个电子，其原子核由个电子，其原子核由92个质子和个质子和143个中子组成。个中子组成。50万个原子排列起来相当一根头发的直径。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黄豆,而电子相当于一根大头针的针尖。而电子相当于一根大头针的针尖。一座一座100万千瓦的火电厂，每年要烧掉约万千瓦的火电厂，每年要烧掉约330万吨煤，要用许万吨煤，要用许多列火车来运输。而同样容量的核电站一年只用多列火车来运输。而同样容量的核电站一年只用30吨燃料。吨燃料。 2010.09.15重核裂变重核
13、裂变在在50多年前，科学家发现铀多年前，科学家发现铀-235原子核在吸收一个原子核在吸收一个中子以后能分裂，同时放出中子以后能分裂，同时放出23个中子和大量的能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量，放出的能量比化学反应中释放出的能量大得多 原子弹原子弹就是利用原子核裂变放出的能量起杀伤破坏就是利用原子核裂变放出的能量起杀伤破坏作用，作用，核电反应堆核电反应堆也是利用这一原理获取能量，所不同的是，也是利用这一原理获取能量，所不同的是，它是可以控制的。它是可以控制的。 2010.09.152010.09.151945年年7月月16日日世界第一颗原子弹1964年年10月月1
14、6日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轻核聚变轻核聚变它是取得核能的重要途径之一。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，（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。释放的一种核反应形式。 2010.09.15 D+DT(1.01 Mev)+P(3.03 D+DT(1.01 Mev)+P(3.03 MevMev) )
15、D+DHe D+DHe3 3(0.82 Mev)+n(2.45 (0.82 Mev)+n(2.45 MevMev) ) D+THe D+THe4 4(3.52 Mev)+n(14.06 (3.52 Mev)+n(14.06 MevMev) )2010.09.152010.09.15相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，环境问题，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。来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。 优点：前景相当诱人。优点：前景相当诱人。不受控制的核聚变：不受控制的核聚变：
16、已实现已实现 如氢弹的爆炸如氢弹的爆炸（比原子弹威力更大）（比原子弹威力更大）可控制的核聚变：可控制的核聚变：未实现未实现2010.09.15目前主要的几种可控核聚变方式：目前主要的几种可控核聚变方式： 超声波核聚变超声波核聚变 激光约束（惯性约束）核聚变激光约束（惯性约束）核聚变 磁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：因为进行核聚变需要的条件非常苛刻： 发生核聚变需要在发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行，亿度的高温下才能进行， 因此又叫热核反应。因此又叫热核反应。 2010.09.15磁约束受控热核聚变磁约束受控热核聚变我国新一代热核聚变装置EAST2010.09.
17、15原理：原理：用磁场把氘氚等氢原子核和自由电子组成的，处于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，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核聚变。使它受控地发生大量原子核聚变。2010.09.15三三 激光约束核聚变激光约束核聚变2010.09.15原理原理：使用强大的脉冲激光束照射氘、氚燃料的微型：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，向外喷射而产生度压缩的稠密等离子体在扩散之前，向外喷射而产
18、生向内聚心的反冲力，将靶丸物质压缩至高密度和热核向内聚心的反冲力，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。核聚变反应，释放出大量的聚变能。2010.09.152010.09.15聚变反应所要求的条件却极为苛刻聚变反应所要求的条件却极为苛刻：首先要有首先要有1亿度左右的高温；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，即的反应时间，即n值要达到值要达到1百万亿（秒百万亿（秒/厘米厘米3）以上，这就是著名的劳逊判据。
19、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大量一些国家的实验室已经在这类激光装置上作了大量的基础研究工作。美国、法国等已着手建造更大规的基础研究工作。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模的巨型激光器，期望能够实现激光热核“点火点火”。 2010.09.15“以身许国以身许国”的王淦昌（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。们集体智慧的结晶。清华
20、大学物理系第一届本科生，清华大学物理系第一届本科生， 1930年到德国留学，年到德国留学， 1934年获博士学位，年获博士学位， 1950年任中国科学院近代物理研究所年任中国科学院近代物理研究所 研究员，研究员，2010.09.151956年到前苏联杜布纳联合原子核研究所工作。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，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。两弹的制造贡献了力量。在学术上也建树颇丰。担任中国核学会理事长，在学术上也建树颇丰。担任中国核学会理事长，中国物理学会副理事长。中国物理学
21、会副理事长。 2010.09.151959年月，王淦昌从万张照片中发现了反年月，王淦昌从万张照片中发现了反西格马超子。西格马超子。1964年，独立提出用激光进行惯性约束以产生年，独立提出用激光进行惯性约束以产生核聚变。核聚变。2010.09.15“死而无憾死而无憾”的邓稼先（的邓稼先（1924-1986）杨振宁的中学校友，杨振宁的中学校友， 并和杨振宁同在美国并和杨振宁同在美国 从事物理的研究。从事物理的研究。只有只有26岁，被人称为岁，被人称为“娃娃博士娃娃博士”。造出中国的争气弹造出中国的争气弹原子弹原子弹2010.09.15我国激光器的发展我国激光器的发展2010.09.15高功率激光和
22、核聚变研究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，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：钱学森形像地指出：你们的事业是地球上人造一你们的事业是地球上人造一个小太阳！个小太阳！ICF研究中关键设备：研究中关键设备： 大功率的激光器。大功率的激光器。 2010.09.15两弹一星功勋王大珩“第一台激光器”2010.09.15我国各类激光器的我国各类激光器的“第一台第一台”第一台固体红宝石激光器第一台固体红宝石激光器 19611961年年9 9月月 王之江等王之江等第一台第一台He-He-NeNe激光器激光器 19631
23、963年年7 7月月 邓锡铭等邓锡铭等 第一台掺钕玻璃激光器第一台掺钕玻璃激光器 19631963年年6 6月月 干福熹等干福熹等 第一台第一台GaAsGaAs同质结半导体激光器同质结半导体激光器 19631963年年1212月月 王守武王守武等等第一台脉冲第一台脉冲ArAr+ +激光器激光器 19641964年年1010月月 万重怡等万重怡等第一台第一台CO2CO2分子激光器分子激光器 19651965年年9 9月月 王润文等王润文等第一台第一台CH3ICH3I化学激光器化学激光器 19661966年年3 3月月 邓锡铭等邓锡铭等第一台第一台YAGYAG激光器激光器 19661966年年7
24、7月月 屈乾华屈乾华等等2010.09.152010.09.15神光神光-激光驱动器激光驱动器 第一个激光专业研究所第一个激光专业研究所-中国科学院上海光机所中国科学院上海光机所 2010.09.15总建筑面积总建筑面积4612平方米，为平方米，为4层钢筋混凝土框架结构，层钢筋混凝土框架结构，总高度总高度15米。该装置输出两束口径为米。该装置输出两束口径为200mm的强光束，的强光束，每束激光的峰功率达每束激光的峰功率达1万亿瓦，脉冲宽度有万亿瓦，脉冲宽度有1ns和和100ps两种，波长为两种，波长为1.053m的红外光，可倍频到的红外光，可倍频到0.53m绿光。绿光。 2010.09.15神
25、光神光-II -II 激光驱动器激光驱动器 2010.09.152010.09.15国际上只有少数发达国家的著名实验钛宝石激光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装置输出功率超过100万亿瓦万亿瓦 2004年年4月，神光月，神光装置成功突破装置成功突破100万亿瓦大关，万亿瓦大关，输出峰值功率达到输出峰值功率达到120万亿万亿/36飞秒飞秒 规模比神光规模比神光-装置扩大装置扩大4倍倍,。 2010.09.15神光神光在在1000万亿分之万亿分之36秒的超短瞬间内，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迸发出相当于全球电网发电总和数十倍的强大功率.
26、不论是国外还是国内，巨型激光驱动器都是综合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国力的反映，能够代表一个国家在这一领域的科技水平。科技水平。它的研制对相关科学技术有重大的带动作用。它的研制对相关科学技术有重大的带动作用。2010.09.15神光神光-III-III激光驱动器激光驱动器 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一2010.09.152010.09.15
