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激光惯性约束聚变讲解
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美国再添核威慑利器最大激光聚变装置亮相图片周刊：
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光学组件
单击此处浏览更多相关图片世界上最大的激光聚变装置29日在美国加利福尼亚州北部的利弗莫尔劳伦斯国家实验所举行落成典礼。
这一装置能产生类似恒星内核的温度和压力，并使美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。
打造12年耗资35亿打造年耗资亿据利弗莫尔劳伦斯国家实验所发表的新闻公报，这个激光聚变装置名为“国家点火装置（NIF）”，被安置在一幢占地约3个橄榄球场地的10层楼内，它由美国能源部下属国家核安全管理局投资，从1997年开始建设，总共耗资约35亿美元。
公报说，国家点火装置可以把200万焦耳的能量通过192条激光束聚焦到一个很小的点上，从而产生类似恒星和巨大行星的内核以及核爆炸时的温度和压力。
这一过程同太阳中心产生能量原理相似，因此这一试验被称为“人造太阳”。
在此基础上，科学家可以实施此前在地球上无法实施的许多试验。
无需核试验保持核威慑力公报说，国家点火装置共有3个任务，第一个任务是让科学家用它模拟核爆炸，研究核武器的性能情况，这也是美国建设国家点火装置的初衷，即作为美国核武器储备管理计划的一部分，保证美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。
国家点火装置的第二个任务是使科学家进一步了解宇宙的秘密。
科学家可使用国家点火装置模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，进行科学试验。
这些试验大部分不会保密，将为科学界提供大量此前无法获取的数据。
国家点火装置的第三个任务是保证美国的能源安全。
能源结构革命性变化科学家希望从2010年开始借助国家点火装置来制造类似太阳内部“国的可控氢核聚变反应，最终用来生产可持续的清洁能源。
公报说：
家点火装置所产生的能量远大于启动它所需要的能量，这是半个多世纪以来核聚变研究人员一直梦寐以求的‘能量增益’目标。
如能取得成功，将是有历史意义的科学突破。
”加州州长施瓦辛格发表讲话说，这一激光系统的建成是加州和美国的伟大成就，它将有可能使美国的能源结构发生革命性变化，因为它将教会人们驾驭类似太阳的能量，使其转变成驾驶汽车和家庭生活所需要的能源。
三大核心任务科学家用它模拟核爆炸，研究核武器的性能情况。
模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，使科学家进一步了解宇宙的秘密。
科学家希望从2010年开始借助它来制造类似太阳内部的可控氢核聚变反应，最终用来生产可持续的清洁能源。
聚焦变身“常规武器常规武器”研制新型氢弹变身常规武器激光核聚变除了可生产取之不尽的清洁能源外，在军事上还可用于发展新型核武，特别是研制新型氢弹，同时亦可部分代替核试验。
因为通过高能激光代替原子弹作为氢弹点火装置实现的核聚变反应，可以产生与氢弹爆炸同样的等离子体条件，为核武设计提供物理学资料，进而制造出新型核武，成为战争新“杀手”。
早在20世纪50年代，氢弹便已研制成功并投入使用。
但氢弹均是以原子弹作为点火装置。
原子弹爆炸会产生大量放射性物质，所以这类氢弹被称为“不干净的氢弹”。
采用激光作为点火源后，高能激光直接促使氘氚发生热核聚变反应。
这样，氢弹爆炸后，就不会产生放射性裂变物，所以，人们称利用激光核聚变方法制造的氢弹为“干净的氢弹”。
传统的氢弹属于第2代核武，而“干净氢弹”则属于第4代核武器，不受《全面禁止核子试验条约》的限制。
由于不会产生剩余核辐射，因此可作为“常规武器”使用。
世界上最大的激光聚变装置在美国加州落成图片周刊：
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乌鸦再现聪明才智用铁丝自制工具取食组图新华网洛杉矶5月29日电（记者高原）世界上最大的激光聚变装
置29日在美国加利福尼亚州北部的利弗莫尔劳伦斯国家实验所举行落成典礼。
这一装置能产生类似恒星内核的温度和压力，并使美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。
据利弗莫尔劳伦斯国家实验所发表的新闻公报，这个激光聚变装置名为“国家点火装置（NIF）”，被安置在一幢占地约3个橄榄球场地的10层楼内，它由美国能源部下属国家核安全管理局投资，从1997年开始建设，总共耗资约35亿美元。
公报说，国家点火装置可以把200万焦耳的能量通过192条激光束聚焦到一个很小的点上，从而产生类似恒星和巨大行星的内核以及核爆炸时的温度和压力。
在此基础上，科学家可以实施此前在地球上无法实施的许多试验。
公报说，国家点火装置共有3个任务，第一个任务是让科学家用它模拟核爆炸，研究核武器的性能情况，这也是美国建设国家点火装置的初衷，即作为美国核武器储备管理计划的一部分，保证美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。
国家点火装置的第二个任务是使科学家进一步了解宇宙的秘密。
科学家可使用国家点火装置模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，进行科学试验。
这些试验大部分不会保密，将为科学界提供大量此前无法获取的数据。
国家点火装置的第三个任务是保证美国的能源安全。
科学家希望从2010年开始借助国家点火装置来制造类似太阳内部的可控氢核聚
变反应，最终用来生产可持续的清洁能源。
公报说：
“国家点火装置所产生的能量远大于启动它所需要的能量，这是半个多世纪以来核聚变研究人员一直梦寐以求的‘能量增益’目标。
如能取得成功，将是有历史意义的科学突破。
”加州州长施瓦辛格在落成典礼上发表讲话说，这一激光系统的建成是加州和美国的伟大成就，它将有可能使美国的能源结构发生革命性变化，因为它将教会人们驾驭类似太阳的能量，使其转变成驾驶汽车和家庭生活所需要的能源。
全球最大的激光机即将完成实现获取核聚变能源2008年11月19日09:
28[我来说两句
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来源：
搜狐科学
【搜狐科学消息】近年来，能源问题日益严重，科学家每日在为能源问题而困扰。
核聚变，因其清洁且取之不尽的特点而受到人们的重视。
科学家一直梦想着有一天可以利用核聚变发电来解决日益严重的能源问题。
而近日，随着美国国家点火装置（NIF）全球最大的激光机即将完成，这个梦想也不再那么遥远了。
目前，研究人员正在加紧进行这个无限潜能的装置测试工作。
核聚变是指由质量小的原子，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，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。
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，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。
目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。
但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。
科学家正努力研究如何控制核聚变，而目前唯一最简单可行的可控核聚变方式：
是以普通氢原子（其他原子也可以，但是需要的启动能量更为巨大）为反应原料，通过降温（和其他降低物质能量）的方法，缩小氢原子之间的距离，直到原子核的融合，从而释放出能量。
而聚变的启动能量来源也是核聚变中也是很重要的，自从1994年被称为“国家点火设施”的激光核聚变计划被正式签发以来，美国科
学家便将希望寄托在在这国家点火装置（NIF）上了。
国家点火装置（NIF）位于美国加利福尼亚州劳伦斯一利弗莫尔国家实验室，有850名科学家和工程师。
另外大约有100名物理学家在那里设计实验。
国家点火装置（NIF）长215米，宽120米，大约同古罗马圆形竞技场一样大，是目前世界上最大和最复杂的激光光学系统，它将模拟同太阳和其他恒星内部相似的条件，使氢原子核发生聚变形成氦核，并释放能量，其目的是成为第一个突破平衡点的设施，即激光在聚变反应中产生的能量大于它们所消耗的能量，从而在实验室条件下实现人类历史上的第一次聚变点火。
NIF注入激光系统由主振室、预放模块、输入探测包和预放光束传输系统四部分构成,负责产生全系统的种子脉冲,经过时间和空间整形、位相调制、放大和分束后,实现焦耳级输出。
它将192条激光束集中于一个花生米大小的、装有重氢燃料的目标上。
每束激光发射出持续大约十亿分之三秒、蕴涵180万焦耳能量的脉冲紫外光――这些能量是美国所有电站产生的电能的500倍还多。
当这些脉冲撞击到目标反应室上，它们将产生X光。
这些X光会集中于位于反应室中心装满重氢燃料的一个塑料封壳上。
NIF研究人员估计，x光将把燃料加热到一亿度，并施加足够的压力使重氢核生聚变反应。
释放的能量将是输入能量的15倍还多。
目前，国家点火装置已经基本上完成了其建设工作，它将于2009年3月竣工。
届时，研究人员将开始准备为聚变点火，第一次实现暂定于2010年，核聚变实验定于2011年。
调试工作包括进行一系列优化和测试实验，以获取点火实验所必需的关键激光参数和点火靶参数。
这些调试工作将在第一次点火打靶前完成。
点火实验对靶工作性能的要求主要体现在：
力能学性能、对称性，激波时序以及靶丸流体动力学。
研究人员推测，一旦核聚变实验成功，我们将有可能在2020年建成第一座核聚变发电厂，而在那不久后，其会很快的商业化。
在那一天，科学家们这几十年来追寻的梦想，将成为现实。
（尚力）
原子的微观世界及核裂变和核聚变反应
发布:
2007-4-2923:
23|作者:
phy|来源:
飞思特物理网
第二章原子的微观世界及核裂变和核聚变反应原子的微观世界
本节要点：
复习高中物理中已学习的原子构成、原子核中的核力、物质的放射性本节要点等基本概念。
了解核能的本质和放射性的来源。
进入原子内部
原子模型
我们已经知道，世界上一切物质都是由极小的称为原子原子的粒子组成的。
原子究竟小到什原子么程度？
举例可以说明：
一张纸的厚度相当于一张纸的厚度相当于10000个原子的厚度。
尽管如此小，现个原子的厚度。
一张纸的厚度相当于个原子的厚度代科学已足够让我们接近原子，认识原子的世界。
原子的组成中子：
不带电，质量为1；质子：
带正电，质量为1；电子：
带负电，质量为中子的1/1837。
中子和质子组成原子核，因此统称为核子。
质子数量等于原子系数，中子数等于原子的质量数减原子系数。
同位素
同一个元素家族，带有不同的中子数，就是同位素。
同位素具有相同的化学特性，但可能有不同的物理特性。
我们熟悉的同位素有：
氢家族：
氕、氘、氚铀家族：
铀-238、铀-235、铀-233
原子结构原子虽小，但里面十分空旷，如果我们将原子放大成直径上百米的足球场，在其中央有一颗称为原子核原子核的小米粒，其直径不到原子直径的万分之一。
而它的质量却占整个原子原子核质量的%以上。
原子核内含有更小的粒子―质子和中子，统称为核子质子和中子，核子。
原子核外质子和中子核子部是其它粒子―电子电子。
除了最简单的氢原子核内只有一个质子之外，其余元素的原子核电子都由多个质子和中子组成的。
科学家将元素原子核内的质子数定义为元素的原子序数原子序数。
原子序数电子的数量同质子一样多，且围绕原子核旋转。
问题和回答
为什么带正电荷的质子能紧密结合？
原来，核子间除了静电排斥力外，还有更强的一种叫做核力的吸引力。
最有当核子间的距离极其接近时，核力才异常强大。
核能应该来自这种核力吧。
中子顾名思义是中性的，它不带电荷，而质子是带正电荷的粒子，电子是带负电荷的粒子。
一个质子和一个电子的电量相同，但两者的质量相差甚远，而质子和中子的质量很相近，分别为电子质量的1839和1837倍。
元素的同位素任何元素的原子，原子核里的质子数是一定的，但可能含有不同的中子数。
例如，一个氢原子可能含1、2、3个中子。
分别称为氕、氘、氚。
这种不同中子数的相同元素称为同位素。
同位素在元素周期表中占据同一个位置，但原子量可能是不同的，因而元素周同位素期表的排列是根据原子系数而不是原子量来排列的。
同一元素的几种同位素，用化学方法无法区分，但其核特性完全不同。
同位素中有的会放出射线，因此称放射性同位素放射性核素，其余叫做稳放射性同位素或放射性核素放射性同位素放射性核素，稳定同位素。
放射性同位素有数千种，大多数同位素都是稳定同位素，定同位素稳定同位素、并呈混合物状态出现在元素中。
原子核的相互吸引力--核力原子核的相互吸引力--核力-我们通常知道正电荷同正电荷、负电荷同负电荷相斥。
但是，为何原子核中的正电荷质子可以紧密地结合在一起？
特别是质量大的原子核，它们聚集了位数从多的核子，例如铀-238，有92个质子和146个中子，彼此居然能挤成一团，在核内排列得如此紧密，
造成极大的核密度。
那么中子和质子间神奇的吸引力到底是什么？
其中一定有一种同质子间的静电排斥力相反的吸引力。
一般我们知道，除了质子之间的静电斥力外，还有核子相互之间的万有引力。
但是质子和中子的质量是那么微小，其万有引力是微不足道的，可以忽略不计。
如果原子核内再无其它的力，那么比万有引力强1037倍的电磁力，将使原子核的质子向四面八方飞散。
但是事实恰恰相反，各种元素的原子核在自然界中都能稳定地存在着，而且质子和其它质子、中子相互结合得很紧凑，这就意味着核子间还有一种远比电磁力强的多的吸引力。
这种吸引力称为核力核力，是一种特别强大的短程作用力，是目前知道的最强大的核力作用力。
它是核能的起源。
核力具有短程强相互作用的能力。
它比电磁相互作用强130倍左右，作用距离只在邻近核子之间。
当核子之间的距离小于（~）×10－13厘米时，核力显得异常强大。
一旦距离超出核半径的范围，核力就很快下降到零。
核力与电荷无关，质子和质子、中子和中子、质子和中子之间，都存在相互吸引的核力，但只在相邻几个核子之间存在着核力。
物质的放射性和原子核的衰变核能利用被公众所担心害怕的根本原因是因为核反应中会产生各种放射性物质，放出各种射线。
因此，我们应该了解一下射线的本质。
α、β、γ射线射线：
为氦原子，，它的电离作用大，贯穿本领小。
α射线射线：
为负或正电子，e-1或e+1，它的电离作用小，贯穿本领较大；β射线射线：
为一种波长很短的电磁波。
只有能量，无静止质量。
它的电离作用小，贯穿本领大。
γ射线
物质的放射性有许多天然和人工生产的核素都能自发地发射出各种射线，或称辐射。
射线的种类很多，α射线，β射线，宇宙射线、中子等的辐射，统称粒子辐射粒子辐射。
γ射线、X射线等的辐射，粒子辐射统称电磁辐射电磁辐射。
此外，还有发射正电子、质子、中子、等其它粒子。
原子核自发地放射电磁辐射各种射线的现象，称为放射性放射性。
能自发地放射出各种射线的核素称为放射性核素放射性核素。
大气放射性放射性核素层中的宇宙射线成分主要是质子、中子、π介子、?
介子、电子等。
原子核的衰变放射性和原子核衰变有关。
当原子处于不稳定状态时，原子核处于激发状态，它必须以某种方法回到基态。
通常的方法以放出某些粒子和能量。
所谓原子核衰变原子核衰变是指原子核自原子核衰变发地放射出α或β等射线而发生的转变。
原子核放出α射线的过程称为α衰变。
衰变的方法主要有：
α衰变、β衰变、γ衰变等。
这种衰变过程又称为放射性过程放射性原子核经过α衰变或β衰变将变成另一种物质。
放射性过程。
放射性过程
例如，核素X的α衰变用下式表示
光电效应示意图
上式中Y为新产生的核素。
辐射效应是指射线同物质的相互作用。
所有的射线，不管它是带电的或是不带电的，也不管是粒子还是电磁波，它们都能与物质发生相互作用，当它们穿过物质时，或者是被物质部分地或全部地吸收，或者是从一定厚度的物质中穿透出去。
射线带有较强的能量，同物质相互作用时，可以同原子中的其它粒子产生动量和能量的相互传递。
置换或打出原子内部的其它粒子，从而改变物质的种类或特性。
最典型的产生的作用是电离作用电离作用，即物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对。
离电离作用子带正电或负电，因此能被测量到。
利用该特性，人们可以进行物质特性改良，从而有材料改性、育种、打死癌细胞、治理污染的环境等形式多样的核辐射应用技术。
例如，γ射线通过物质时，可用同原子壳层轨道上的电子相互作用，而将能量传给该电子，使该电子以光电子形式从原子核中释放出来，这种效应称为光电效应，光电效光电效应，光电效应应能引起化学反应或生物学效应。
如果射线与原子核发生反应，使一种物质变成另一种物质。
射线的穿透力
强透射性射线具有穿透物质的特殊能力。
不同的射线种类穿透能力是不一样的。
其中，α、β穿透力很小，α射线一张纸就可以隔离，β射线一层金属薄板也可以隔离，γ穿透力最强，必须非常厚的混凝土或铅块才能阻挡。
因此，人们害怕的放射性主要是指γ射线。
射线的应用射线的辐射能力和穿透能力同样也可以造福人类。
人们利用射线的辐射效应，将其应用到各个领域，如材料改性、育种、治疗癌症、治理环境污染等，使它们为人类服务。
核技术应用常用的射线为γ、中子和X光。
因为这些射线不带电，所以它从原子和
分子的近傍飞过时同它们的相互作用很弱，这就是它的电离本领极小，而穿透本领很强的原因。
如果我们将当一束射线照射某一物体时，中途将不断有射线穿过物质壁面，逸出到外部，逸出的量必然同当地的物质密度等性质有关，逸出的射线如果能够被一些外部的感光材
料吸收，它就可以显现出物质内部的结构。
利用该特征，人们可以拍照，如用于医学及工业中的X射线照相照相。
如果将放射性同位素载入某种物质，例如注入人体的血液中，放照相射性同位素就好象惯于招摇的旅游者，它们到哪里就将射线释放到哪里，因此测量穿过人体的射线，可以跟踪同位素的动向，这种技术称为示踪示踪。
示踪
爱因斯坦的质能方程与核能
本节要点：
复习高中物理中已学习的质能转换、质量亏损、结合能等基本概念。
本节要点了解发生核裂变和聚变的本质。
质量与能量是可以转换的质能方程质量守恒定律和能量守恒定律是大家比较熟悉的。
但是，在很长的时间里，人们都没有把物质的质量与能量两个概念联系在一起。
后来，爱因斯坦提出了一个全新的观点，他指出，人们通常所说的质量，只是物质存在的形式之一；物质存在的另一种形式就是能人们通常所说的质量，只是物质存在的形式之一；物质存在的另一种形式就是能人们通常所说的质量量。
能量和质量都是物质的一种属性。
这样，能量守恒定律和质量守恒定律就获得了新的意义。
爱因斯坦提出了表示质量和能量之间关系的著名公式：
其中E是能量，m是质量，c是光速。
这就是通常所说的质能关系式质能关系式。
由此可见，在物质能关系式质的质量和能量之间，存在着严格的正比关系。
按此公式计算，任何一克质量的物体都有相当于2500万千瓦小时的电能。
可惜，现在科学还无法将任何物质的全部质量变成能量来得于利用，否则人类的能量将用之不完。
尽管如此，我们现在利用的核能正是来我们现在利用的核能正是来我们现在利用的核能正是自这种质量到能量的转换，自这种质量到能量的转换，虽然只是某些物质的一点点质量转换，已经让我们人类受益匪浅。
能量的单位
核裂变能量单位常用兆电子伏特（Mev）表示。
1电子伏特表示1个电子所带的电荷量。
它同我们日常生活中常用的能量单位焦耳（J）的关系如下：
质能亏损和结合能科学家们发现，对原子核质量作精确测定时，它比组成它的质子和中子的质量之和要小。
也就是说，单个核子的质量总是比结合在原子核里的每个核子的质量大。
这说明：
单个核子组成原子核时，由于核子间强大的核力作用，迫使核子相互强力碰撞而紧紧地结合时，发生了质量溅射。
减少的这份质量，按照质能公式转化为能量释放出来。
科学家把核子结合前后的质量差值，称为“质量亏损质量亏损”，把结合时放出的能量称为“结合能结合能”。
例如质量亏损结合能氦原子核是由2个质子和2个中子组成，它的质量亏损如图2-4所示。
按照爱因斯坦的质
能公式计算，氦核放出的结合能：
氦核的质量亏损
人类可利用的结合能
中等质量的元素结合得最紧密，因此形成它时的结合能放出最多。
重核通过裂变形成中等质量核。
轻核通过聚变形成中等质量核。
人类目前可用的核能就是重核裂变或轻核聚变成中等核时放出结合能。
问题和回答为什么多个核子在结合成原子核时的质量不守恒？
原来，一部分质量在结合时变成了能量，称为结合能。
结合能就是核能的来源。
这种由核子结合成原子核时放出的能量叫做核的总结合能总结合能。
核子数越多，原子核越大，总结合能总结合能也越大。
为了比较各种原子核的紧密程度，采用每个核子的平均结合能更方便。
平均结合能也称比结合能比结合能，其数值可用总结合能除于原子核的核子数得出。
如上面氦原比结合能子核的平均结合能是兆电子伏。
核子之间结合得越紧密，放出的结合能越大。
实验测定氦相邻的锂原子核的平均结合能小于6兆电子伏，锂的比结合能小些，说明锂核比氦结合得松些。
核的比结合能曲线
结合能的利用―结合能的利用―核能科学家们利用质谱仪对各种原子的质量精确测定后，就能从质量亏损算出不同原子核的总结合能，并绘出如图所示的核比结合能曲线从图中可以看到，比结合能曲线。
比结合能曲线各种原子核结合的紧密程度是不一样的。
比结合能小的，结合就松；比结合能大的，结合就紧。
曲线两边低，中间高，说明由单个核子组成中等质量的原子核时，付出的质量由单个核子组成中等质量的原子核时，付出的质量由单个核子组成中等质量的原子核时亏损要大，这种核结构就很牢固，而轻核和重核则相反，它们的成员在结合时付出的质亏损要大，这种核结构就很牢固，而轻核和重核则相反，它们的成员在结合时付出的质量亏损要小，所以核结构较松散。
量亏损要小，所以核结构较松散。
由此可以想象，如果要利用核子的结合能（即核能，由两种途径可以达到。
一是将某核能）核能
个重核分裂，变成中等质量核，中等质量核的结合能要比重核大，因此这个重核的每个核子就要继续发生质量亏损而放出能量，这就是所谓的核裂变法。
另一种方法是使几个轻核相互结合起来变成中等质量核，同样该过程中的核子将继续发生一部分质量亏损，变成能量放出，这就是所谓的核聚合法。
这样人类利用核能就有两种可能的方式：
一种利用重核分裂成中等质量核过程中释放出的核能，即裂变能裂变能；而另一种就是利用轻核聚裂变能合成中等质量核过程中释放出的核能，即聚变能聚变能。
裂变与聚变是大规模核能之源。
聚变能
重核裂变
图2-6铀-235的裂变示意图
裂变能来自某些重核的裂变。
但是如何使得重核发生分裂呢？
自然界中某些质量数很大裂变能来自某些重核的裂变。
但是如何使得重核发生分裂呢？
自然界中某些质量数很大的原子核，如铀的原子核，如铀-238，无需外界作用，就有自发分裂的趋
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