一个不可或缺的真相——聚变能源如何拯救地球

《一个不可或缺的真相——聚变能源如何拯救地球》作者一生从事有关等离子体物理学的实验和研究。《一个不可或缺的真相——聚变能源如何拯救地球》试图从气候变化和能源着手，清晰、公正地把事实真相呈献给读者，主要讨论了受控聚变的物理原理与技术。《一个不可或缺的真相——聚变能源如何拯救地球》会告诉读者，聚变研究已经进展到哪里、还要走多远，最终我们将怎样到达目的地。作者力图深入浅出地解读受控聚变的深奥物理内容，实现聚变的种种困难和巧妙的解决方案，使每个读者能够领会聚变物理学家所做的一切努力，这是一项艰巨的科学技术任务。
本书是为不同背景的读者写的，包括广大科学爱好者。读者凭借大学和中学掌握的基础知识，可以从本书获得许多全新的概念和更多丰富的内容。

陈凤翔(Francis F．Chen)，陈风翔教授自6岁随父母从广州移民来美国以后．一直生活在美国。他在哈佛大学取得学士、硕士和博士学位，博士导师是诺贝尔奖得主拉姆齐(NormanRamsey)教授。在1954年取得博士学位以后，他在普林斯顿大学的普利斯顿等离子体物理学实验室从事仿星器的初始聚变实验，1969年到加利福尼亚大学洛杉矶分校当教授，1994年成为该大学荣誉退休教授(Professor Emeritus)。在这期间，他还到过法国、瑞士、澳大利亚和日本做访问学者。他一生从事等离子体物理学的教学和研究工作，直到现在90岁还在耕耘着，进行写作和研究。 陈风翔教授一生获得许多荣誉和奖励，如IIEEE等离子体科学和应用奖，APS麦克斯韦奖，AVS等离子体科学技术司的等离子体奖等，还获得迪克森荣誉教授，他也是这些获奖单位的研究员以及英国物理学会研究员。他还担任过美国电力研究所聚变咨询委员会主席，Hafstad激光聚变委员会委员，大学聚变协会创始成员，等离子体物理学APS部主席，海军研究委员会等离子体处理委员会主席等。

致谢
前言
开场白：走向一个可持续发展的世界
第一篇 为什么聚变是不可或缺的
第1章 气候变化的证据 3
1.1 全球变暖是真的吗？ 3
1.2 温度变化的物理学 6
1.3 量化地球变暖 7
1.4 气候变化的证据 9
1.4.1 古气候 9
1.4.2 计算机模型 11
1.4.3 现代数据 11
1.4.4 全球温度升高 12
1.5 灾害和重大灾难 16
1.5.1 墨西哥湾流 19
1.5.2 1℃效应 20
1.5.3 洪涝和干旱 21
1.5.4 对海洋的影响 23
1.5.5 特别气候 24
1.5.6 飓风和台风 27
1.6 减缓的必然性 29
注释 37
参考文献 38
第2章 能源的未来I：化石燃料 40
2.1 主体能源 40
2.2 能源赤字 41
2.2.1 能量单位 41
2.2.2 能源消费 42
2.2.3 能源预测 44
2.2.4 什么在驱动能源需求的增加？ 45
2.2.5 能源去了哪里？ 47
2.2.6 能源存储量 49
2.3 煤和碳的管理 54
2.3.1 总量管制与排放交易 54
2.3.2 碳的埋存 55
2.4 石油和天然气的白日梦 59
2.4.1 深挖 60
2.4.2 北极钻探 61
2.4.3 页岩油 62
2.4.4 含油砂 63
2.4.5 藻类油 65
2.4.6 天然气水合物 65
注释 67
第3章 能源的未来II：可再生能源 69
3.1 引言 69
3.2 风能 69
3.2.1 鸟和蝙蝠 70
3.2.2 风电增长 71
3.2.3 什么时候兆瓦不是兆瓦？ 73
3.2.4 规模经济 75
3.2.5 海上风电场 78
3.2.6 叶片的设计 80
3.2.7 涡轮机工作原理 82
3.2.8 化石足迹 83
3.2.9 能量储存 84
3.2.10 与电网的连接 85
3.2.11 风能的底线 86
3.3 太阳能 86
3.3.1 阳光的本性 86
3.3.2 使用太阳能的方法 89
3.3.3 每个房顶上的太阳能板 90
3.3.4 危险性 92
3.4 中央太阳能电站 92
3.4.1 太阳热电站 92
3.4.2 太阳光伏电站 95
3.4.3 储存和输送 97
3.4.4 大规模的太阳能发电真的可行吗？ 98
3.4.5 光伏电池工作原理 99
3.4.6 硅太阳能电池 102
3.4.7 薄膜太阳能电池 109
3.4.8 化石足迹和环境问题 111
3.4.9 思想在即 114
3.4.10 有机太阳能电池 115
3.4.11 地球工程学 119
3.4.12 太阳能的底线 120
3.5 交通运输能源 120
3.5.1 氢燃料汽车 121
3.5.2 电动汽车和混合动力车 126
3.5.3 生物燃料 137
3.6 核电 140
3.6.1 核电的重要性 140
3.6.2 核反应堆的工作原理 140
3.7 其他再生能源 151
3.7.1 水力发电 151
3.7.2 地热能源 151
3.7.3 波浪能和潮汐能 152
3.7.4 生物质能 153
3.7.5 冒险的计划 153
注释 153
参考文献 157
第二篇 聚变工作原理和用途
第4章 聚变——来自海水的能源 163
4.1 裂变和聚变：差别万岁！ 163
4.1.1 结合能 163
4.1.2 裂变和聚变反应 164
4.1.3 聚变和裂变的差别 166
4.2 能量大小 166
4.3 聚变工作原理 167
4.4 等离子体，发光的气体 169
4.5 磁瓶设计 171
4.5.1 磁场是什么？ 171
4.5.2 磁场能够约束等离子体吗？ 173
4.5.3 甜甜圈的孔 175
4.5.4 为什么磁力线必须扭曲 177
4.6 映射，混沌和磁面 179
注释 182
第5章 磁瓶的完美化 184
5.1 一些很大的数 184
5.2 不稳定性：美中不足 187
5.3 作为超导体的热等离子体 188
5.4 等离子体怎样在电场中运动 189
5.5 瑞利-泰勒不稳定性 190
5.6 剪切场的稳定作用 193
5.7 等离子体加热和“经典”泄漏率 194
注释 196
参考文献 196
第6章 引人注目的托卡马克 198
6.1 特殊的环 198
6.2 扭曲不稳定性和克鲁斯卡极限 199
6.3 磁镜，香蕉形轨道和新经典理论 200
6.3.1 湍流和玻姆扩散 204
6.3.2 罪魁祸首：微观不稳定性 206
6.3.3 漂移不稳定性的机制 209
6.3.4 垂直场 213
注释 214
参考文献 215
第7章 托卡马克的演变和物理学 216
7.1 磁岛 216
7.2 锯齿形振荡 219
7.3 诊断 220
7.4 自组织 221
7.5 磁阱和匀称曲线 222
7.6 D-形的演变 224
7.6.1 如何把等离子体加热到理想温度 226
7.7 大自然的援手 230
7.7.1 自举电流 230
7.7.2 同位素效应 232
7.7.3 维尔箍缩装置 232
7.7.4 带状流 233
7.8 时间标度 236
7.9 高约束模 237
7.9.1 H-模 237
7.9.2 反向剪切 239
7.9.3 内部输运垒 240
注释 243
参考文献 244
第8章 半世纪以来的进展 245
8.1 我们完成了什么？ 245
8.2 设备，启动和里程碑 248
8.3 计算机模拟 254
8.4 没完成的物理学 257
8.4.1 边缘-局域模 257
8.4.2 鱼骨模 259
8.4.3 破裂 260
8.5 托卡马克的极限 263
8.5.1 格林沃尔德极限 263
8.5.2 特洛容极限 264
8.5.3 大Q和小q 265
8.5.4 约束定标律 266
8.6 ITER：7个国家开拓的装置 268
注释 276
参考文献 277
第9章 工程学：大挑战 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 偏滤器 283
9.2.3 结构材料 286
9.3 再生区和氚增殖 287
9.3.1 再生区的原理 287
9.3.2 锂的角色 288
9.3.3 再生区的设计 289
9.4 氚的处理 294
9.4.1 氚的自足 294
9.4.2 氚的基础知识 295
9.4.3 氚燃料的循环 296
9.5 超导磁铁 297
9.5.1 引言 297
9.5.2 ITER的磁线圈 298
9.5.3 氦的供给 300
9.5.4 高温超导体 300
9.6 等离子体加热和电流驱动 301
9.6.1 引言 301
9.6.2 中性束注入 301
9.6.3 离子回旋共振加热 301
9.6.4 电子回旋共振加热 302
9.6.5 下杂化加热 303
9.7 遗留的物理问题 304
9.7.1 边缘-局域模 304
9.7.2 破裂 306
9.7.3 阿尔文波的不稳定性 306
9.8 运转一个聚变反应堆 307
9.8.1 启动，缓慢下降和稳态运转 307
9.8.2 保持电流分布 307
9.8.3 远程操控 308
9.9 聚变发展设施 309
9.9.1 国际聚变材料辐照设施 309
9.9.2 聚变点火托卡马克 310
9.9.3 大体积中子源 310
9.9.4 聚变发展设施 311
9.9.5 一个球形托卡马克FDF.312
9.10 聚变发电厂 313
9.10.1 商业用的现实性 313
9.10.2 发电厂的设计 314
9.11 电价 319
9.11.1 方法论 319
9.11.2 重要的依赖关系 319
9.11.3 成本层次化/折扣 321
9.11.4 聚变能价格 322
注释 324
参考文献 324
第10章 将来的聚变概念 327
10.1 优选的燃料循环 327
10.2 仿星器 330
10.2.1 文德尔施泰因 330
10.2.2 大螺旋装置 332
10.2.3 非轴对称的好处 333
10.2.4 紧凑仿星器 334
10.3 球形环装置 336
10.3.1 球形托卡马克 336
10.3.2 球马克 340
10.4 磁镜 341
10.4.1 磁镜的工作原理 341
10.4.2 约飞棒和棒球线圈 342
10.4.3 磁镜装置 344
10.4.4 轴对称磁镜 345
10.4.5 直接转换 346
10.5 磁箍缩 347
10.5.1 反场箍缩 347
10.5.2 反场位形（FRC） 349
10.5.3 Z-箍缩 352
10.5.4 等离子体焦点 353
10.6 惯性约束聚变 354
10.6.1 引言 354
10.6.2 一般原理 355
10.6.3 不稳定性 356
10.6.4 玻璃激光器 357
10.6.5 其他激光器 359
10.6.6 靶设计 359
10.6.7 直接和间接驱动 361
10.6.8 反应堆技术 364
10.6.9 脉冲电源 364
10.7 骗局和死局 366
10.7.1 冷聚变 366
10.7.2 泡沫聚变 367
10.7.3 μ介子聚变 367
10.7.4 天体器 368
10.7.5 静电约束 369
10.7.6 密葛玛 369
10.8 终极的聚变 369
注释 370
参考文献 371
第11章 结论 374
11.1 科学性总结 374
11.2 发展聚变的费用 375
11.2.1 财政上的数据 375
11.2.2 结论 377
11.3 结束语 378
注释 378
索引 380