A Review of the DOE Plan for U.S. Fusion Community Participation in the ITER Program pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Plasma Science Committee

出品人:

页数:56

译者:

出版时间:2009-1

价格:$ 23.73

装帧:

isbn号码:9780309124751

丛书系列:

图书标签:

ITER
Fusion Energy
DOE
U
S
Participation
Plasma Physics
International Collaboration
Energy Policy
Scientific Research
Nuclear Engineering
Energy
Science

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具体描述

ITER presents the United States and its international partners with the opportunity to explore new and exciting frontiers of plasma science while bringing the promise of fusion energy closer to reality. The ITER project has garnered the commitment and will draw on the scientific potential of seven international partners, China, the European Union, India, Japan, the Republic of Korea, Russia, and the United States, countries that represent more than half of the world's population. The success of ITER will depend on each partner's ability to fully engage itself in the scientific and technological challenges posed by advancing our understanding of fusion. In this book, the National Research Council assesses the current U.S. Department of Energy (DOE) plan for U.S. fusion community participation in ITER, evaluates the plan's elements, and recommends appropriate goals, procedures, and metrics for consideration in the future development of the plan.

熔炉之光：全球聚变能研究的宏伟蓝图本书深入探讨了全球核聚变能源研究的最新进展、核心挑战与未来前景，聚焦于如何将实验室内的科学突破转化为可持续、可商业化的清洁能源。它并非关注特定国家机构的计划细节，而是从更宏观、更具战略性的视角，审视人类迈向聚变能源这一终极能源目标所必须跨越的科学、工程与政策鸿沟。第一部分：聚变能的科学基石与工程挑战本书首先回顾了核聚变反应的物理原理，解释了为什么氘和氚的反应被认为是实现能量增益（Q>1）的最有希望的路径。重点阐述了磁约束聚变（Magnetic Confinement Fusion, MCF）和惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion, ICF）这两大主流技术路线的内在逻辑与物理限制。磁约束聚变的复杂性在磁约束部分，本书详细剖析了托卡马克（Tokamak）和仿星器（Stellarator）的设计哲学。它着重于等离子体稳定性的前沿研究： 1. 湍流与输运（Turbulence and Transport）：深入分析了等离子体内部的微观不稳定性如何导致热量和粒子快速泄漏，削弱了能量约束。探讨了先进的诊断技术，如激光散射（Thomson Scattering）和反射计（Reflectometry），如何帮助科学家绘制出等离子体核心的温度和密度剖面图，并据此优化磁场构型。 2. 边界物理（Edge Physics）：讨论了等离子体与真空室壁相互作用的“边缘局域模”（ELMs）现象。ELMs虽然是释放边界热负荷的一种自然机制，但其高频的能量脉冲对偏滤器（Divertor）材料的寿命构成了严峻考验。书中阐述了利用外部磁场扰动或主动控制技术来“驯服”ELMs的最新尝试。 3. 超导磁体技术：探讨了驱动未来大型聚变装置所需的超高场强和高电流密度的低温导体制成工艺。强调了高温度超导体（HTS）材料如ReBCO带材在紧凑型聚变堆设计中的颠覆性潜力，及其在应对巨大机械应力方面的材料科学突破。惯性约束聚变的点火机制对于惯性约束聚变，本书将重点放在实现“点火”（Ignition）所需的极端条件上： 1. 驱动能的效率：分析了激光驱动惯性聚变的能量转化效率瓶颈，即从电网输入能量到最终耦合到靶丸内部的热核燃烧所需能量的巨大差异。探讨了高能激光器（如基于高功率光纤放大技术）的能量沉积效率提升策略。 2. 靶丸设计与不对称性：详述了如何设计用于高密度压缩的复杂靶丸结构（如内爆型或点火型靶丸），以及如何精确控制激光束的均匀性以避免不对称压缩导致的能量“喷射”和点火失败。第二部分：从科学实验到工程原型堆的过渡本书的第二部分将焦点转向工程化实施阶段，强调了从演示能量增益（Q>1）到实现电网级可靠供电（DEMO堆）之间的巨大差距。材料科学的“聚变特有”挑战聚变反应堆材料必须承受极端环境，这是传统反应堆材料从未面对的： 1. 中子辐照损伤：聚变反应产生的高能（14 MeV）中子对材料的损伤机制与裂变堆的低能中子截然不同。书中详细描述了材料晶格结构中的空位和间隙原子的形成、氦气在材料内部的聚集与致泡效应，以及这对材料机械性能（如脆化、蠕变）的长期影响。 2. 液态锂/氚的兼容性：讨论了为了实现氚自持（Tritium Breeding）而必须在反应堆包层（Blanket）中使用液态锂或锂陶瓷。研究了这些含锂物质与结构钢、偏滤器材料之间在高温高辐射环境下的腐蚀和兼容性问题，这是保证包层长期运行完整性的关键。氚的闭合燃料循环氚是聚变能的关键燃料，但它具有放射性和稀缺性，因此反应堆必须实现高效率的“自持循环”： 1. 增殖包层的设计与验证：探讨了各种包层概念（如水冷锂陶瓷包层、液态合金包层）的设计，以及如何通过蒙特卡洛模拟精确计算中子在包层中的增殖效率，确保每消耗一个氚原子能产生一个以上的新氚原子。 2. 氚处理与回收：描述了从等离子体排气、真空系统和包层提取氚的复杂化学和物理分离过程，强调了维持极低放射性泄漏率的严格的“肼”（Tritium Handling）安全规程。第三部分：全球合作的治理结构与未来展望本书的最后一部分将视野拓展至国际合作的必要性、政策环境以及商业化路线图。国际合作的范式与挑战聚变能的巨大规模和长期投资特性，使其成为国际合作的典范，同时也带来了管理上的复杂性。书中分析了大型国际科学项目在知识产权共享、预算控制和技术标准统一方面的经验教训。重点讨论了如何平衡参与国对核心技术知识的保留需求与快速推进全球研发进程的需求。商业化的多路径探索认识到单一技术路线的局限性，本书最后审视了新兴的商业化策略，这些策略往往更灵活、更快速，但面临的工程难度和资金压力更大： 1. 紧凑型/高场强设计：探讨了基于高温超导体的紧凑型托卡马克概念，这些设计目标是显著减小反应堆的体积和建设成本，加速其进入原型阶段。 2. 非传统约束方式：简要介绍了替代性的磁约束方案，例如场反转构型（FRC）或磁镜（Mirror）概念的复兴，以及这些方法在降低复杂性方面的潜力。 3. 私人资本的驱动力：分析了近年来大量私人风险投资涌入聚变初创企业的现象。这些公司往往采取更激进的技术路径和更短的研发时间表，它们对技术成熟度的验证和工程实践的推动作用。通过对上述多层面、跨学科问题的深入剖析，本书旨在为政策制定者、能源工程师以及对未来能源格局感兴趣的读者提供一个全面、平衡的视角，理解人类如何正在努力点燃“人造太阳”，并为地球提供近乎无限的清洁能源。