10第十章激光在科学技术前沿问题中的应用.doc

PAGE  PAGE 400 第10章 激光在科学技术前沿问题中的应用 第6章到第9章介绍了激光在人们生产生活中的应用，最后一章来谈谈激光在科学研究，主要是科学技术前沿问题中的应用。作为二十世纪最重要的高新技术发明之一，激光已经对科学技术的发展起到了极大的促进作用，无论是在物理、化学、生物、医学、材料、能源以及农林学科那个方面，几乎所有的自然科学研究领域都有应用激光技术取得的研究成果。这里只能选择一些比较重要而又比较典型的应用予以介绍。尽管这些应用还处于研究阶段，其前景对于人们未来的生产生活却可能带来极重要的影响，甚至是决定性的影响。因此，对这些问题有所了解和掌握还是必要的。 10.1 激光核聚变 10.1.1受控核聚变 发达国家中，欧美及前苏联利用核聚变反应获取能量的实验早在1950年就开始进行了，日本的研究是在1958年在后开始的。我国在这方面起步比较晚，但是我国科学家在二十世纪五十年代就参加了前苏联的和平利用核聚变的研究，六十年代则开始了独立自主的研究。 众所周知，文明的维持与发展是建立在能源供应充足的基础之上的，生活水平越高，经济发展越快，消耗的能源就越多。当前人类利用的能源主要是煤、石油、天然气这样的化石类燃料。它们形成的周期长，在地球上贮藏量有限。它们的使用还带来了严重的环境问题。燃烧化石类燃料所造成的CO2排放被认为是全球变暖的主要原因，要对日渐频繁的自然灾害如水灾、干旱负责。人类对供量充足、环境污染少的新能源的需要日益迫切。 科研工作者们一直在寻找解决问题的办法。目前的研究表明，一些可再生的能源如风能、太阳能等，虽然对环境的破坏小，但能提供的能量密度低，难以完全替代化石类能源，更谈不上满足未来进一步的能源要求；而水电站的建设和运行受自然环境影响很大，同时对生态环境的影响也是很大的；虽然核裂变可以提供巨大的能量，并在许多国家已投入使用，但核废料的处理、装置的安全运行以及可能的军事应用的控制等问题一直让人难以释怀。相比较之下，核聚变有突出的优点。低原子序数的元素通过聚变反应聚合为更高序数的元素，反应中损失的能量转化为能量放出，提供能量的效率比裂变要高。同样的质量，利用核聚变获得的能量比核裂变多4倍。比如lkg铀235U裂变时放出的原子能相当于2500吨优质煤燃烧时放出的能量，而Ikg氘(D)和氚(T)聚变时放出的能量，就相当于1万多吨优质煤燃烧时放出的能量。在对环境的影响方面，聚变具有不产生CO2排放，不导致温室效应，发生事故对环境基本没有辐射影响，产生的废料辐射水平低等等优点。因此，发展聚变能应用是替代化石类燃料与裂变能，推动人类文明发展的理想途径。 聚变时，参加反应的原子核都带正电，彼此之间互相排斥。粒子必须具有极高的动能，才能克服这种排斥作用，彼此接近到足以发生反应的程度。为了使粒子达到如此大的动能，必须将它们的温度上升到上亿摄氏度，所以称这种聚变反应为“热核反应”。点燃热核反应所需要的温度，就叫“点火温度”。即便是最低条件的氘－氚（D-T）的核聚变反应也要1亿℃左右。此时粒子的平均动能达10keV以上，远远超过了氢离子的电离能13.6eV。因此核聚变反应物质是离子和电子混合起来形成的等离子体，聚变时所需要的温度也叫等离子体温度。为了达到如此高的温度，生成高温高密度的等离子体，最初的办法是使用核裂变的链锁反应。因此，热核反应的第一个实际的应用是制造氢弹。但是作为一种大规模杀伤性武器，氢弹爆炸过程中的热核反应实际上是不可以控制的。要利用热核反应做能源就必须能够对它进行有效的控制。 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 热核反应点火后能否顺利地“燃烧”下去，要求核燃料必须保持一定的密度，否则核燃料太稀疏就会使聚变反应的速率大大降低，甚至熄火。另外，还必须把这种密度的核燃料保持一定时间，使它们不彼此飞散，以便充分进行聚变反应。可是，在上亿摄氏度的温度下，核燃料由于受到超高温加热而迅速膨胀，结果其密度就迅速变低。因而利用核聚变提取能量有两个条件：一是保证充分的反应时间；二是约束高温等离子体。然而等离子体的保持时间与等离子体密度成反比，也就是说获取核聚变能量的首要条件是必须超过临界值。这就是所谓劳森条件。如果是氘－氚核聚变，至少要求。劳森条件的实质是等离子体的热能与核聚变反应能相等，即要求“收支平衡”。目前比较实用的能达到劳森条件的装置有两大类。一是利用一定的强磁场将高温等离子体进行约束和压缩，使之达到劳森判据，即所谓的“磁力约束方法”（magnetic confinement fusion, MCF）。如果采用MCF方法，在磁场强度可能的极限内，产生的等离子体密度大约为1014cm-3，等离子体保持时间需要1s以上，即低密度长约束时间。为此人们先后设计了诸如磁镜装置、仿星器、箍缩装置以及在以