等離子體物理與聚變能

前言

隨著能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題日益突出，人們對(duì)未來(lái)的能源選擇變得興趣大增。特別是隨著中國(guó)加入國(guó)際熱核聚變堆（ITER）項(xiàng)目建設(shè)，“ITER”一如當(dāng)年“哥德巴赫猜想”一詞，已成為媒體和普通民眾經(jīng)常使用的熱詞。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，近30年來(lái)磁約束聚變研究的發(fā)展，已使得面向反應(yīng)堆的聚變工程研究變得與等離子體物理研究同樣引入矚目。為適應(yīng)這一形勢(shì)和學(xué)科布局發(fā)展的需要，國(guó)內(nèi)（大陸）很多有條件的高校紛紛開(kāi)設(shè)了面向聚變研究的專業(yè)方向。這樣，原先主要以高溫等離子體物理內(nèi)容為主的教材就顯得不能很好地滿足當(dāng)前的需要。這本最新出版的（2007年版）美國(guó)麻省理工學(xué)院的教材《等離子體物理與聚變能》，正是以聚變反應(yīng)堆建設(shè)為目標(biāo)（而不是像以往教材那樣僅僅是背景）來(lái)展開(kāi)敘述的，特別適合用來(lái)彌補(bǔ)目前流行教材的不足。因此在科學(xué)／乜版社的大力幫助下，我們組織力量將它翻譯介紹到國(guó)內(nèi)來(lái)。

內(nèi)容概要

本書是在麻省理工學(xué)院的研究生課程“等離子體物理和聚變能”的一系列講義的基礎(chǔ)上形成的。內(nèi)容敘述從世界能源需求的概述開(kāi)始，然后是目前的能源生產(chǎn)方法、聚變?cè)谖磥?lái)的潛在作用等。全書包括兩部分，前一部分論述能源問(wèn)題，諸如聚變能的產(chǎn)生、功率平衡、簡(jiǎn)單聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)等；后一部分講述聚變能發(fā)展所面臨的基本等離子體物理學(xué)問(wèn)題，包括宏觀平衡和穩(wěn)定、輸運(yùn)和加熱等問(wèn)題?！　”緯m合應(yīng)用物理和核工程方面的研究生和研究人員閱讀。書中搜集的作者在過(guò)去二十多年的教學(xué)過(guò)程中積累的大量習(xí)題有助于讀者對(duì)各章內(nèi)容的理解。

作者簡(jiǎn)介

作者：（美國(guó)）Jeffrey Freidberg 譯者：王文浩 等

書籍目錄

第一部分　聚變能　第1章　聚變與世界能源　　1.1　引言　　1.2　現(xiàn)有的能源方式　　1.3　聚變能的作用　　1.4　本章總結(jié)　　參考書目　　　第2章　聚變反應(yīng)　　2.1　引言　　2.2　核反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)　　2.3　裂變核能　　2.4　聚變核能　　2.5　結(jié)合能曲線　　2.6　本章總結(jié)　　參考書目　　習(xí)題　　　第3章　聚變功率的產(chǎn)生　　3.1　引言　　3.2　截面、平均自由程和碰撞頻率的概念　　3.3　反應(yīng)速率　　3.4　分布函數(shù)、聚變截面、聚變功率密度　　3.5　輻射損失　　3.6　本章總結(jié)　　參考書目　　習(xí)題　　　第4章　聚變反應(yīng)堆功率平衡　　4.1　引言　　4.2　零維能量守恒關(guān)系　　4.3　磁約束聚變的一般功率平衡關(guān)系　　4.4　穩(wěn)態(tài)零維功率平衡　　4.5　等離子體內(nèi)的功率平衡　　4.6　反應(yīng)堆功率平衡　　4.7　聚變反應(yīng)堆的時(shí)變功率平衡　　4.8　本章總結(jié)　　參考書目　　習(xí)題　　　第5章　簡(jiǎn)單磁約束聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)　　5.1　引言　　5.2　一般磁約束聚變反應(yīng)堆　　5.3　反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算　　5.4　設(shè)計(jì)目標(biāo)，工程和核物理方面的基本限制　　5.5　反應(yīng)堆設(shè)計(jì)　　5.6　本章總結(jié)　　參考書目　　習(xí)題　　第二部分　聚變能等離子體物理學(xué)　第6章　磁約束聚變概述　　6.1　引言　　6.2　等離子體的基本描述　　6.3　單粒子行為　　6.4　，自洽模型　　6.5　磁流體力學(xué)平衡及其穩(wěn)定性　　6.6　磁約束聚變概念　　6.7　輸運(yùn)　　6.8　加熱和電流驅(qū)動(dòng)　　6.9　聚變研究的未來(lái)　　參考書目　　　第7章　聚變等離子體定義　　7.1　引言　　7.2　等離子體對(duì)穩(wěn)恒電場(chǎng)的屏蔽——德拜長(zhǎng)度　　7.3　等離子體對(duì)振蕩電場(chǎng)的屏蔽——等離子體頻率　　7.4　低碰撞頻率和集體效應(yīng)　　7.5　對(duì)磁約束聚變等離子體的額外約束　　7.6　宏觀行為和碰撞的關(guān)系　　7.7　本章總結(jié)　　參考書目　　習(xí)題　　　第8章　單粒子運(yùn)動(dòng)——導(dǎo)心理論　　8.1　引言　　8.2　單粒子運(yùn)動(dòng)的基本性質(zhì)　　8.3　均勻穩(wěn)恒磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)　　8.4　穩(wěn)恒磁場(chǎng)B和電場(chǎng)E下的運(yùn)動(dòng)：E×B漂移　　8.5　垂直梯度的場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)：VB漂移　　8.6　彎曲磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)：曲率漂移　　8.7　真空磁場(chǎng)中V漂移和V漂移的綜合　　8.8　時(shí)變電場(chǎng)z和磁場(chǎng)B中的運(yùn)動(dòng)：極化漂移　　8.9　平行梯度場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)：磁矩和磁鏡　　8.10　本章總結(jié)　　參考書目　　習(xí)題　　　第9章　單粒子運(yùn)動(dòng)——庫(kù)侖碰撞　　9.1　引言　　9.2　庫(kù)侖碰撞——數(shù)學(xué)推導(dǎo)　　9.3　試探粒子碰撞頻率　　9.4　再論磁鏡　　9.5　高能離子的慢化　　9.6　逃逸電子　　9.7　凈交換碰撞　　9.8　本章總結(jié)　　參考書目　　習(xí)題　　　第10章　自洽的雙流體模型　　10.1　引言　　10.2　流體模型的性質(zhì)　　10.3　質(zhì)量守恒　　10.4　動(dòng)量守恒　　10.5　能量守恒　　10.6　本章總結(jié)　　參考書目　　習(xí)題　　　第11章　磁流體力學(xué)——宏觀平衡　　11.1　宏觀平衡和穩(wěn)定性的基本問(wèn)題　　11.2　從雙流體模型推導(dǎo)磁流體力學(xué)模型　　11.3　從導(dǎo)心理論推導(dǎo)磁流體力學(xué)模型　　11.4　磁流體力學(xué)平衡——定性描述　　11.5　磁流體力學(xué)平衡模型的基本性質(zhì)　　11.6　徑向壓強(qiáng)平衡　　11.7　環(huán)向力平衡　　11.8　本章總結(jié)　　參考書目　　習(xí)題　　　第12章　磁流體力學(xué)——宏觀穩(wěn)定性　　12.1　引言　　12.2　穩(wěn)定性的一般概念　　12.3　磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性的物理圖像　　12.4　理想磁流體力學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題的一般方程　　12.5　無(wú)限大均勻等離子體——磁流體力學(xué)波　　12.6　直線.箍縮　　12.7　直線Z箍縮中的m＝O?！　?2.8　直線Z箍縮中的m＝1模　　12.9　本章總結(jié)　　……　第13章　磁約束聚變概念　第14章　輸運(yùn)　第15章　加熱與電流驅(qū)動(dòng)　第16章　聚變研究的未來(lái)附錄　

章節(jié)摘錄

插圖：眾所周知，多年來(lái)，生活質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)直接與能量消耗成正比。能源在食品生產(chǎn)、家庭取暖與照明、工業(yè)設(shè)備運(yùn)行、提供公共與私人交通以及通信保障等方面必不可少。一般來(lái)講，高質(zhì)量的生活需要由價(jià)格合理的充足的能量消耗來(lái)保證。盡管人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這些，但現(xiàn)今世界大部分地區(qū)的能源狀況卻不容樂(lè)觀，并且情況不是在好轉(zhuǎn)而是變得越來(lái)越糟。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是對(duì)新的產(chǎn)能持續(xù)增長(zhǎng)的需求超過(guò)了現(xiàn)有資源配置條件下具有經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境友好型方法所能取得的供給。這些需求中，有些來(lái)自如北美、西歐和日本等世界工業(yè)化區(qū)域?qū)δ茉词褂玫某掷m(xù)增長(zhǎng)，還有很大一部分則來(lái)自于正處于快速工業(yè)化過(guò)程中的國(guó)家，如中國(guó)和印度。幾乎所有關(guān)于未來(lái)能量消耗的預(yù)測(cè)都指出，到2100年，世界能源需求量將至少是目前能源消耗量的兩倍。加劇能源供給矛盾的一個(gè)重要問(wèn)題是環(huán)境的惡化。特別是有越來(lái)越多的證據(jù)表明，溫室氣體排放已開(kāi)始對(duì)環(huán)境產(chǎn)生明顯的副作用。如果不存在溫室氣體排放的問(wèn)題，那么通過(guò)增加煤的使用就可以大大緩解能源供給短缺的問(wèn)題。地球上煤的儲(chǔ)量十分充足，然而，如果要減少未來(lái)溫室氣體的排放，那么對(duì)主要化石燃料（煤、天然氣、石油）的產(chǎn)能就需要設(shè)定一個(gè)限制。測(cè)算表明，現(xiàn)已探明的天然氣和石油儲(chǔ)量將在未來(lái)幾十年內(nèi)消耗殆盡，這將使問(wèn)題變得更加復(fù)雜，而溫室氣體對(duì)環(huán)境的影響是我們必須正視的一個(gè)問(wèn)題。因此在下面的討論中，我們將把能源生產(chǎn)過(guò)程中減少溫室氣體的排放作為一個(gè)重要的考慮因素。

媒體關(guān)注與評(píng)論

“這本書很值得一讀。這是目前我見(jiàn)到的對(duì)當(dāng)前聚變科學(xué)和等離子體物理研究現(xiàn)狀論述得最全面、對(duì)主題處理得最簡(jiǎn)明的一本教材。它對(duì)所觸及的大部分概念都給出了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述，同時(shí)又不乏新鮮活潑的直觀圖像，因此值得強(qiáng)力推薦?！薄　　猅.J.Dolan（Fusion Science and Technology一書作者）

編輯推薦

《等離子體物理與聚變能》適合應(yīng)用物理和核工程方面的研究生和研究人員閱讀。書中搜集的作者在過(guò)去二十多年的教學(xué)過(guò)程中積累的大量習(xí)題有助于讀者對(duì)各章內(nèi)容的理解。

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