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《一個不可或缺的真相――聚變能源如何拯救地球》作者一生從事有關等離子體物理學的實驗和研究。《一個不可或缺的真相――聚變能源如何拯救地球》試圖從氣候變化和能源著手，清晰、公正地把事實真相呈獻給讀者，主要討論了受控聚變的物理原理與技術。《一個不可或缺的真相――聚變能源如何拯救地球》會告訴讀者，聚變研究已經進展到哪裡、還要走多遠，最終我們將怎樣到達目的地。作者力圖深入淺出地解讀受控聚變的深奧物理內容，實現聚變的種種困難和巧妙的解決方案，使每個讀者能夠領會聚變物理學家所做的一切努力，這是一項艱巨的科學技術任務。
目次
目錄
致謝
前言
開場白：走向一個可持續發展的世界
第一篇 為什麼聚變是不可或缺的
第1章 氣候變化的證據 3
1.1 全球變暖是真的嗎？ 3
1.2 溫度變化的物理學 6
1.3 量化地球變暖 7
1.4 氣候變化的證據 9
1.4.1 古氣候 9
1.4.2 計算機模型 11
1.4.3 現代數據 11
1.4.4 全球溫度升高 12
1.5 災害和重大災難 16
1.5.1 墨西哥灣流 19
1.5.2 1℃效應 20
1.5.3 洪澇和乾旱 21
1.5.4 對海洋的影響 23
1.5.5 極端氣候 24
1.5.6 颶風和颱風 27
1.6 減緩的必然性 29
注釋 37
參考文獻 38
第2章 能源的未來I：化石燃料 40
2.1 主體能源 40
2.2 能源赤字 41
2.2.1 能量單位 41
2.2.2 能源消費 42
2.2.3 能源預測 44
2.2.4 什麼在驅動能源需求的增加？ 45
2.2.5 能源去了哪裡？ 47
2.2.6 能源存儲量 49
2.3 煤和碳的管理 54
2.3.1 總量管制與排放交易 54
2.3.2 碳的埋存 55
2.4 石油和天然氣的白日夢 59
2.4.1 深挖 60
2.4.2 北極鑽探 61
2.4.3 葉岩油 62
2.4.4 含油砂 63
2.4.5 藻類油 65
2.4.6 天然氣水合物 65
注釋 67
第3章 能源的未來II：可再生能源 69
3.1 引言 69
3.2 風能 69
3.2.1 鳥和蝙蝠 70
3.2.2 風電增長 71
3.2.3 什麼時候兆瓦不是兆瓦？ 73
3.2.4 規模經濟 75
3.2.5 海上風電場 78
3.2.6 葉片的設計 80
3.2.7 渦輪機工作原理 82
3.2.8 化石足跡 83
3.2.9 能量儲存 84
3.2.10 與電網的連接 85
3.2.11 風能的底線 86
3.3 太陽能 86
3.3.1 陽光的本性 86
3.3.2 使用太陽能的方法 89
3.3.3 每個房頂上的太陽能板 90
3.3.4 危險性 92
3.4 中央太陽能電站 92
3.4.1 太陽熱電站 92
3.4.2 太陽光伏電站 95
3.4.3 儲存和輸送 97
3.4.4 大規模的太陽能發電真的可行嗎？ 98
3.4.5 光伏電池工作原理 99
3.4.6 矽太陽能電池 102
3.4.7 薄膜太陽能電池 109
3.4.8 化石足跡和環境問題 111
3.4.9 思想在即 114
3.4.10 有機太陽能電池 115
3.4.11 地球工程學 119
3.4.12 太陽能的底線 120
3.5 交通運輸能源 120
3.5.1 氫燃料汽車 121
3.5.2 電動汽車和混合動力車 126
3.5.3 生物燃料 137
3.6 核電 140
3.6.1 核電的重要性 140
3.6.2 核反應堆的工作原理 140
3.7 其他再生能源 151
3.7.1 水力發電 151
3.7.2 地熱能源 151
3.7.3 波浪能和潮汐能 152
3.7.4 生物質能 153
3.7.5 冒險的計劃 153
注釋 153
參考文獻 157
第二篇 聚變工作原理和用途
第4章 聚變――來自海水的能源 163
4.1 裂變和聚變：差別萬歲！ 163
4.1.1 結合能 163
4.1.2 裂變和聚變反應 164
4.1.3 聚變和裂變的差別 166
4.2 能量大小 166
4.3 聚變工作原理 167
4.4 等離子體，發光的氣體 169
4.5 磁瓶設計 171
4.5.1 磁場是什麼？ 171
4.5.2 磁場能夠約束等離子體嗎？ 173
4.5.3 甜甜圈的孔 175
4.5.4 為什麼磁力線必須扭曲 177
4.6 映射，混沌和磁面 179
注釋 182
第5章 磁瓶的完美化 184
5.1 一些很大的數 184
5.2 不穩定性：美中不足 187
5.3 作為超導體的熱等離子體 188
5.4 等離子體怎樣在電場中運動 189
5.5 瑞利-泰勒不穩定性 190
5.6 剪切場的穩定作用 193
5.7 等離子體加熱和“經典”洩漏率 194
注釋 196
參考文獻 196
第6章 引人注目的托卡馬克 198
6.1 特殊的環 198
6.2 扭曲不穩定性和克魯斯卡極限 199
6.3 磁鏡，香蕉形軌道和新經典理論 200
6.3.1 湍流和玻姆擴散 204
6.3.2 罪魁禍首：微觀不穩定性 206
6.3.3 漂移不穩定性的機制 209
6.3.4 垂直場 213
注釋 214
參考文獻 215
第7章 托卡馬克的演變和物理學 216
7.1 磁島 216
7.2 鋸齒形振盪 219
7.3 診斷 220
7.4 自組織 221
7.5 磁阱和勻稱曲線 222
7.6 D-形的演變 224
7.6.1 如何把等離子體加熱到理想溫度 226
7.7 大自然的援手 230
7.7.1 自舉電流 230
7.7.2 同位素效應 232
7.7.3 維爾箍縮裝置 232
7.7.4 帶狀流 233
7.8 時間標度 236
7.9 高約束模 237
7.9.1 H-模 237
7.9.2 反向剪切 239
7.9.3 內部輸運壘 240
注釋 243
參考文獻 244
第8章 半世紀以來的進展 245
8.1 我們完成了什麼？ 245
8.2 設備，啟動和里程碑 248
8.3 計算機模擬 254
8.4 沒完成的物理學 257
8.4.1 邊緣-局域模 257
8.4.2 魚骨模 259
8.4.3 破裂 260
8.5 托卡馬克的極限 263
8.5.1 格林沃爾德極限 263
8.5.2 特洛容極限 264
8.5.3 大Q和小q 265
8.5.4 約束定標律 266
8.6 ITER：7個國家開拓的裝置 268
注釋 276
參考文獻 277
第9章 工程學：大挑戰 279
9.1 引言 279
9.2 第一壁和其他材料 281
9.2.1 第一壁 281
9.2.2 偏濾器 283
9.2.3 結構材料 286
9.3 再生區和氚增殖 287
9.3.1 再生區的原理 287
9.3.2 鋰的角色 288
9.3.3 再生區的設計 289
9.4 氚的處理 294
9.4.1 氚的自足 294
9.4.2 氚的基礎知識 295
9.4.3 氚燃料的循環 296
9.5 超導磁鐵 297
9.5.1 引言 297
9.5.2 ITER的磁線圈 298
9.5.3 氦的供給 300
9.5.4 高溫超導體 300
9.6 等離子體加熱和電流驅動 301
9.6.1 引言 301
9.6.2 中性束注入 301
9.6.3 離子回旋共振加熱 301
9.6.4 電子回旋共振加熱 302
9.6.5 下雜化加熱 303
9.7 遺留的物理問題 304
9.7.1 邊緣-局域模 304
9.7.2 破裂 306
9.7.3 阿爾文波的不穩定性 306
9.8 運轉一個聚變反應堆 307
9.8.1 啟動，緩慢下降和穩態運轉 307
9.8.2 保持電流分佈 307
9.8.3 遠程操控 308
9.9 聚變發展設施 309
9.9.1 國際聚變材料輻照設施 309
9.9.2 聚變點火托卡馬克 310
9.9.3 大體積中子源 310
9.9.4 聚變發展設施 311
9.9.5 一個球形托卡馬克FDF.312
9.10 聚變發電廠 313
9.10.1 商業用的現實性 313
9.10.2 發電廠的設計 314
9.11 電價 319
9.11.1 方法論 319
9.11.2 重要的依賴關係 319
9.11.3 成本層次化/折扣 321
9.11.4 聚變能價格 322
注釋 324
參考文獻 324
第10章 將來的聚變概念 327
10.1 先進的燃料循環 327
10.2 仿星器 330
10.2.1 文德爾施泰因 330
10.2.2 大螺旋裝置 332
10.2.3 非軸對稱的好處 333
10.2.4 緊湊仿星器 334
10.3 球形環裝置 336
10.3.1 球形托卡馬克 336
10.3.2 球馬克 340
10.4 磁鏡 341
10.4.1 磁鏡的工作原理 341
10.4.2 約飛棒和棒球線圈 342
10.4.3 磁鏡裝置 344
10.4.4 軸對稱磁鏡 345
10.4.5 直接轉換 346
10.5 磁箍縮 347
10.5.1 反場箍縮 347
10.5.2 反場位形(FRC) 349
10.5.3 Z-箍縮 352
10.5.4 等離子體焦點 353
10.6 慣性約束聚變 354
10.6.1 引言 354
10.6.2 一般原理 355
10.6.3 不穩定性 356
10.6.4 玻璃激光器 357
10.6.5 其他激光器 359
10.6.6 靶設計 359
10.6.7 直接和間接驅動 361
10.6.8 反應堆技術 364
10.6.9 脈衝電源 364
10.7 騙局和死局 366
10.7.1 冷聚變 366
10.7.2 泡沫聚變 367
10.7.3 μ介子聚變 367
10.7.4 天體器 368
10.7.5 靜電約束 369
10.7.6 密葛瑪 369
10.8 終極的聚變 369
注釋 370
參考文獻 371
第11章 結論 374
11.1 科學性總結 374
11.2 發展聚變的費用 375
11.2.1 財政上的數據 375
11.2.2 結論 377
11.3 結束語 378
注釋 378
索引 380
致謝
前言
開場白：走向一個可持續發展的世界
第一篇 為什麼聚變是不可或缺的
第1章 氣候變化的證據 3
1.1 全球變暖是真的嗎？ 3
1.2 溫度變化的物理學 6
1.3 量化地球變暖 7
1.4 氣候變化的證據 9
1.4.1 古氣候 9
1.4.2 計算機模型 11
1.4.3 現代數據 11
1.4.4 全球溫度升高 12
1.5 災害和重大災難 16
1.5.1 墨西哥灣流 19
1.5.2 1℃效應 20
1.5.3 洪澇和乾旱 21
1.5.4 對海洋的影響 23
1.5.5 極端氣候 24
1.5.6 颶風和颱風 27
1.6 減緩的必然性 29
注釋 37
參考文獻 38
第2章 能源的未來I：化石燃料 40
2.1 主體能源 40
2.2 能源赤字 41
2.2.1 能量單位 41
2.2.2 能源消費 42
2.2.3 能源預測 44
2.2.4 什麼在驅動能源需求的增加？ 45
2.2.5 能源去了哪裡？ 47
2.2.6 能源存儲量 49
2.3 煤和碳的管理 54
2.3.1 總量管制與排放交易 54
2.3.2 碳的埋存 55
2.4 石油和天然氣的白日夢 59
2.4.1 深挖 60
2.4.2 北極鑽探 61
2.4.3 葉岩油 62
2.4.4 含油砂 63
2.4.5 藻類油 65
2.4.6 天然氣水合物 65
注釋 67
第3章 能源的未來II：可再生能源 69
3.1 引言 69
3.2 風能 69
3.2.1 鳥和蝙蝠 70
3.2.2 風電增長 71
3.2.3 什麼時候兆瓦不是兆瓦？ 73
3.2.4 規模經濟 75
3.2.5 海上風電場 78
3.2.6 葉片的設計 80
3.2.7 渦輪機工作原理 82
3.2.8 化石足跡 83
3.2.9 能量儲存 84
3.2.10 與電網的連接 85
3.2.11 風能的底線 86
3.3 太陽能 86
3.3.1 陽光的本性 86
3.3.2 使用太陽能的方法 89
3.3.3 每個房頂上的太陽能板 90
3.3.4 危險性 92
3.4 中央太陽能電站 92
3.4.1 太陽熱電站 92
3.4.2 太陽光伏電站 95
3.4.3 儲存和輸送 97
3.4.4 大規模的太陽能發電真的可行嗎？ 98
3.4.5 光伏電池工作原理 99
3.4.6 矽太陽能電池 102
3.4.7 薄膜太陽能電池 109
3.4.8 化石足跡和環境問題 111
3.4.9 思想在即 114
3.4.10 有機太陽能電池 115
3.4.11 地球工程學 119
3.4.12 太陽能的底線 120
3.5 交通運輸能源 120
3.5.1 氫燃料汽車 121
3.5.2 電動汽車和混合動力車 126
3.5.3 生物燃料 137
3.6 核電 140
3.6.1 核電的重要性 140
3.6.2 核反應堆的工作原理 140
3.7 其他再生能源 151
3.7.1 水力發電 151
3.7.2 地熱能源 151
3.7.3 波浪能和潮汐能 152
3.7.4 生物質能 153
3.7.5 冒險的計劃 153
注釋 153
參考文獻 157
第二篇 聚變工作原理和用途
第4章 聚變――來自海水的能源 163
4.1 裂變和聚變：差別萬歲！ 163
4.1.1 結合能 163
4.1.2 裂變和聚變反應 164
4.1.3 聚變和裂變的差別 166
4.2 能量大小 166
4.3 聚變工作原理 167
4.4 等離子體，發光的氣體 169
4.5 磁瓶設計 171
4.5.1 磁場是什麼？ 171
4.5.2 磁場能夠約束等離子體嗎？ 173
4.5.3 甜甜圈的孔 175
4.5.4 為什麼磁力線必須扭曲 177
4.6 映射，混沌和磁面 179
注釋 182
第5章 磁瓶的完美化 184
5.1 一些很大的數 184
5.2 不穩定性：美中不足 187
5.3 作為超導體的熱等離子體 188
5.4 等離子體怎樣在電場中運動 189
5.5 瑞利-泰勒不穩定性 190
5.6 剪切場的穩定作用 193
5.7 等離子體加熱和“經典”洩漏率 194
注釋 196
參考文獻 196
第6章 引人注目的托卡馬克 198
6.1 特殊的環 198
6.2 扭曲不穩定性和克魯斯卡極限 199
6.3 磁鏡，香蕉形軌道和新經典理論 200
6.3.1 湍流和玻姆擴散 204
6.3.2 罪魁禍首：微觀不穩定性 206
6.3.3 漂移不穩定性的機制 209
6.3.4 垂直場 213
注釋 214
參考文獻 215
第7章 托卡馬克的演變和物理學 216
7.1 磁島 216
7.2 鋸齒形振盪 219
7.3 診斷 220
7.4 自組織 221
7.5 磁阱和勻稱曲線 222
7.6 D-形的演變 224
7.6.1 如何把等離子體加熱到理想溫度 226
7.7 大自然的援手 230
7.7.1 自舉電流 230
7.7.2 同位素效應 232
7.7.3 維爾箍縮裝置 232
7.7.4 帶狀流 233
7.8 時間標度 236
7.9 高約束模 237
7.9.1 H-模 237
7.9.2 反向剪切 239
7.9.3 內部輸運壘 240
注釋 243
參考文獻 244
第8章 半世紀以來的進展 245
8.1 我們完成了什麼？ 245
8.2 設備，啟動和里程碑 248
8.3 計算機模擬 254
8.4 沒完成的物理學 257
8.4.1 邊緣-局域模 257
8.4.2 魚骨模 259
8.4.3 破裂 260
8.5 托卡馬克的極限 263
8.5.1 格林沃爾德極限 263
8.5.2 特洛容極限 264
8.5.3 大Q和小q 265
8.5.4 約束定標律 266
8.6 ITER：7個國家開拓的裝置 268
注釋 276
參考文獻 277
第9章 工程學：大挑戰 279
9.1 引言 279
9.2 第一壁和其他材料 281
9.2.1 第一壁 281
9.2.2 偏濾器 283
9.2.3 結構材料 286
9.3 再生區和氚增殖 287
9.3.1 再生區的原理 287
9.3.2 鋰的角色 288
9.3.3 再生區的設計 289
9.4 氚的處理 294
9.4.1 氚的自足 294
9.4.2 氚的基礎知識 295
9.4.3 氚燃料的循環 296
9.5 超導磁鐵 297
9.5.1 引言 297
9.5.2 ITER的磁線圈 298
9.5.3 氦的供給 300
9.5.4 高溫超導體 300
9.6 等離子體加熱和電流驅動 301
9.6.1 引言 301
9.6.2 中性束注入 301
9.6.3 離子回旋共振加熱 301
9.6.4 電子回旋共振加熱 302
9.6.5 下雜化加熱 303
9.7 遺留的物理問題 304
9.7.1 邊緣-局域模 304
9.7.2 破裂 306
9.7.3 阿爾文波的不穩定性 306
9.8 運轉一個聚變反應堆 307
9.8.1 啟動，緩慢下降和穩態運轉 307
9.8.2 保持電流分佈 307
9.8.3 遠程操控 308
9.9 聚變發展設施 309
9.9.1 國際聚變材料輻照設施 309
9.9.2 聚變點火托卡馬克 310
9.9.3 大體積中子源 310
9.9.4 聚變發展設施 311
9.9.5 一個球形托卡馬克FDF.312
9.10 聚變發電廠 313
9.10.1 商業用的現實性 313
9.10.2 發電廠的設計 314
9.11 電價 319
9.11.1 方法論 319
9.11.2 重要的依賴關係 319
9.11.3 成本層次化/折扣 321
9.11.4 聚變能價格 322
注釋 324
參考文獻 324
第10章 將來的聚變概念 327
10.1 先進的燃料循環 327
10.2 仿星器 330
10.2.1 文德爾施泰因 330
10.2.2 大螺旋裝置 332
10.2.3 非軸對稱的好處 333
10.2.4 緊湊仿星器 334
10.3 球形環裝置 336
10.3.1 球形托卡馬克 336
10.3.2 球馬克 340
10.4 磁鏡 341
10.4.1 磁鏡的工作原理 341
10.4.2 約飛棒和棒球線圈 342
10.4.3 磁鏡裝置 344
10.4.4 軸對稱磁鏡 345
10.4.5 直接轉換 346
10.5 磁箍縮 347
10.5.1 反場箍縮 347
10.5.2 反場位形(FRC) 349
10.5.3 Z-箍縮 352
10.5.4 等離子體焦點 353
10.6 慣性約束聚變 354
10.6.1 引言 354
10.6.2 一般原理 355
10.6.3 不穩定性 356
10.6.4 玻璃激光器 357
10.6.5 其他激光器 359
10.6.6 靶設計 359
10.6.7 直接和間接驅動 361
10.6.8 反應堆技術 364
10.6.9 脈衝電源 364
10.7 騙局和死局 366
10.7.1 冷聚變 366
10.7.2 泡沫聚變 367
10.7.3 μ介子聚變 367
10.7.4 天體器 368
10.7.5 靜電約束 369
10.7.6 密葛瑪 369
10.8 終極的聚變 369
注釋 370
參考文獻 371
第11章 結論 374
11.1 科學性總結 374
11.2 發展聚變的費用 375
11.2.1 財政上的數據 375
11.2.2 結論 377
11.3 結束語 378
注釋 378
索引 380
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