零 ,也即将磁场零点定在 ν= 1/ 2 处 ,那么所有朗道能级的展宽使整数填充因子处的朗道能隙ν 的 FQ HE 态看起来和 IQ HE 态一样。 例如 ,= 间距减小 , 同样在 B = 0 处出现一个负截距。 根νΔν 1/ 2 和 = 1/ 3 之间的磁场间隔B 正好与据上述类比 , 图 11 中在= 1/ 2 处负截距大小 νν = 1所需的磁场一样 ,也就是说 ,经平移以后实际给出了组合费米子所受到的散射大小。 至 = 1/ 3 态就成了 ν= 1 态。 同样 ν= 2/ 5 态成为此 ,可以讲组合费米子是分数量子霍尔效应中 ννν = 2态, = 3/ 7 态成为 = 3 态。 这就是说 ,原的新粒子。 认为 ,组合费米子的真实性 来电子的 FQ HE 态变成了组合费米子的 IQ HE一点不比超导中的库珀对差。 态。 组合费米子模型在 FQ HE 和 IQ HE 之间建 立了十分直接的联系。7 结束语 6 组合费米子的有效质量鉴于量子霍尔效应涉及深奥的物理内涵 ,本文只是力图从物理图像的角度粗浅地介绍它众所周知 , 由 IQHE 的能隙 ω= eB/m c 的基本性质。

特别是目前对 FQ HE 态的研究仍c 可以直接计算出电子的有效质量 m 。 那么从在不断深入 ,本文所涉及的内容十分基础 ,不可 图 11 上的直线斜率也可以直接算出组合费米能反映这方面研究工作的广度和深度。 作者只 子的有效质量 m≈06 me 。 它远大于电子在希望借 1998 年诺贝尔物理学奖颁布之际 ,能使cF1 导带中的有效质量。 但是事情并不那样十全十本刊读者对量子霍尔效应有一概括的了解。 另 美。 按说将图 11 中能隙外推到 ν= 1/ 2 处应当一方面 , 由于本文是属知识介绍性的文章,因时 为零 ,然而现在得到的却是一个负截距。 实际上间关系没有一一列出每项工作的有关文献 ,其 在 IQ HE 效应中也遇到类似的情况。 在实际样目的只是想减小工作量。 如有不妥之处 ,请予以 品中 ,受杂质、缺陷或者结构尺寸涨落的影响 ,谅解。浅谈惯性约束核聚变张 杰( 中国科学院物理研究所, 北京 )摘 要 以煤、石油、天然气为代表的化石能源终将枯竭,基于核裂变反应的核裂变能源也由于安全性和核废料的处理等问题而不尽如人意。 人类期待着新的能源。 受控热核聚变反应能释放巨大的能量 ,而且由于这种能源干净、安全 ,且以用之不竭的海水作为原料 , 因此 ,受控热核聚变能是人类下一世纪的能源的主要希望所在。

在地球上 ,主要有两种方法实现受控热核聚变反应 :磁约束核聚变和惯性约束核聚变。 文章通俗地介绍了惯性约束核聚变的基本原理和惯性约束核聚变研究的最新进展。关键词 惯性约束核聚变 国家高技术惯性约束核聚变委员会资助项目 1998 - 11 - 19 收到初稿 ,1998 - 12 - 10 修回1·42 ·物理AN OF Jie() ute of , The of , g The fuel era is over。 If we to burn fuels such as oil gas for ,they will last only few years。 use that an could arise the 21st as fuels are 。

will us with a of clean , 。 In a brief of with a of will 。Key word 1 引言源。 这些化石能源都是不能再生的。 目前世界人口大约每40 年翻一番 ,用电量也是每 40 年翻宇宙的能量来自核聚变反应。 太阳 ,还有许一番。 到目前为止 ,人类已经用掉了地球上几乎 多恒星都是天然的核聚变能源 ,在太阳中发生一半的化石能源。 如图 1 所示 ,按照目前人类对 的核聚变反应给整个世界和我们的日常生活提化石能源的要求来推算 ,在 22 世纪到 23 世纪 供了能量。 人类社会运转所需要的煤、石油和天这段时间 ,人类对化石能源的消耗将达到最大 , 然气都是亿万年以前太阳与当时的植物相互作与此同时 ,地球上开始出现这种化石能源供不 用的产物。

在地球的沉积层中 ,埋藏着许多远古应求的现象。 到 24 世纪中叶 ,这种化石能源就 时代的生物遗体。 在缺氧、泥沙层不断增厚、内会枯竭。 这种严峻的现实使得人类对新能源的 部压力和温度不断增加的环境下 ,经过细菌的探索 , 已经从单纯的实验室中的研究项目变成 分解作用 ,形成了石油、煤和天然气等“化石”能了人类社会的强烈需求。图 1 人类社会发展对能量的需求和现有的化石能源的供给随时间的变化趋势( 图中的估算的假设:世界人口稳定在 100 亿 ,每人年平均能耗为美国 1985 年水平的 2/ 3) 尽管实际上世界上的所有能量都来自太阳指把太阳光转化为热能和电能的技术。 太阳能 的核聚变反应 ,习惯上 ,人们还是将“太阳能”专的确非常重要 ,但是太阳能不可能满足人类生() 28 卷 1999 年 3 期1·43 · 活对能量的全部要求。会相撞以发生聚变。 核聚变反应之前的反应物目前的核电站所产生的能量来自核裂变反氘和氚的质量大于反应之后的产物 ———氦和中 应。 这种核裂变反应所提供的能量在下个世纪子的质量。 根据爱因斯坦的质能关系 E = mc2 ,( 的生活中将会变得越来越重要。

但是 ,这种核电反应物与产物的质量差变成了聚变能 见 站的安全性、对环境的污染以及核废料的处理图3) 。 尽管在这个聚变反应中仅失去了 038 % 等问题的确令人大伤脑筋。的质量 ,但是在 1g 氘氚反应中失去的 38mg4核裂变反应能是在重原子核受到中子的轰的质量就相当于燃烧约 108 ×10 L 油所释放 击裂变为轻原子核时所释放的能量 ,与此相反 ,的能量。 核聚变反应能则是在轻原子核聚变为重原子核 时所释放的能量。 如图 2 所示 ,核聚变反应可以 比核裂变反应释放大得多的能量。 早在 50 年 前 ,人们就认识到太阳和其他恒星的能量都来 自核聚变反应。 下面我们以氢原子的两种同位 素氘和氚的聚变反应为例来说明核聚变反应。氘和氚都带正电荷 ,互相排斥。 因此要想把 它们聚合起来 , 需要用很大的能量才能克服它 们相互间的斥力。 这需要把核燃料加热到 1 亿 度以上 , 以使氘和氚有足够大的动能,但即使这 样 ,也还不足以发生核聚变。 还需要将核燃料约图2 核聚变反应与核裂变反应所释放能量的比较 束到足够高的密度 , 以使氘和氚有足够大的机(核聚变反应所释放出的能量比核裂变反应所释放的能量要大得多)图3 氘氚核聚变反应的示意图和氘氚核聚变反应质能平衡图()( α )( [ 轻元素 如氘和氚 在高温、高压下发生核聚变反应变为较重的元素 如氦或 粒子 , 同时释放大量的能量 相当于燃烧石油所)( ) 释放的能量的 1 百万倍 。

在聚变反应过程中所释放的能量来自核聚变反应中所失去的能量 ,002 原子单位的质量 amu变为 的能量] 就单位质量而言 ,核聚变反应所释放的能量 ; 同样的发电量 ,若用燃油则每年需 1 千万 量要比核裂变反应所释放的能量大得多。 在桶 ,相当于 10 艘超级油轮的运量。而对于核裂 图4 中我们可以把核能与其他化石能源进行一变发电厂来说 , 则需要 30 吨的二氧化铀作燃 下直观的比较。 一个发电量为 100 万千瓦的火料 ,相当于 1 节货车车厢的运量 ;相同的电量对 力发电厂每年的耗煤量大约为 210 万吨 ,相当于核聚变发电厂来说 ,则仅需 600 公斤核燃料 , 于 191 列由 110 节货车车厢组成的火车的运这相当于 1 辆轻便客货两用汽车的运量。 而且 , 1·44 ·物理 由于受控核聚变能是干净、安全、经济的能源,是大规模的核能释放 ,无法人工控制。 在地球上 所以人们将下一世纪的能源主要寄希望于核聚实现受控核聚变反应是半个世纪以来科学家们 变反应上。 氢弹爆炸所释放的威力巨大的能量努力追求的目标。 就来自爆炸时的核聚变反应。 然而 ,氢弹的爆炸图4 核能与其他化石能源的比较( 1 个 100 万千瓦发电站使用不同燃料时年消耗量的对比)生极大的向心聚爆的压力 ,这个压力大约相当() 2 磁约束核聚变 MCF和惯性约束核于地球上的大气压力的十亿倍。

在这么巨大的( )压力的作用下 ,氘氚等离子体被压缩到极高的聚变 ICF()密度和极高的温度 相当于恒星内部的条件 , 目前 ,人们在实验室里研究核聚变反应主引起氘氚燃料的核聚变反应。()( 要采用磁约束和惯性约束两种方法 见图 5。人们希望能通过惯性约束核聚变 受控热()磁约束核聚变 核反应 来产生既干净又经济的能量。 当把氢的 sion ,MCF) 主要依靠强有力的磁场将低密度、同位素氘、氚加热到 10keV 时 , 它们就具有足 高温度的等离子体约束足够长时间以使氘氚等够高的动能来穿透核的库仑势垒 ,从而引发核 离子体达到核聚变反应所需要的条件。 经过几反应。 与磁约束核聚变反应不同的是 ,惯性约束 代科学家的努力 , 目前的磁约束实验装置已经核聚变的等离子体并不需要任何的外力对其约 分别可以将较低温度、低密度的等离子体约束束 ,而是依靠燃料自身的惯性 ,在高温、高压下 , 足够长的时间或者在短时间内将等离子体加在氘氚燃料还没来得及飞散之前的短暂时间内 热 ,但是如何使磁约束实验装置中的等离子体引发聚变核反应。( ) 在实现长约束时间的同时也达到核聚变反应所惯性约束核聚变 ICF和磁约束核聚变 需要的高温 , 目前仍是一个极大的难题。

(MCF) 的共同点是它们都要求高达 1 亿度的(反应温度。 二者的不同在于 :惯性约束核聚变等惯性约束核聚变 fu( 26 - 3 ))() 离子体的密度极高 10cm ,约束时间为纳 sion ,ICF 则是利用高功率激光束 或粒子束( - 9 ) 均匀辐照氘氚等热核燃料组成的微型靶丸 ,在秒 10 s 量级 , 与氢弹的热核反应的条件类 极短的时间里靶丸表面在高功率激光的辐照下似。 而磁约束核聚变等离子体的密度则低得多 , 会发生电离和消融而形成包围靶芯的高温等离仅为 - 3 的量级 , 因此 ,其约束时间必须( 子体。 等离子体膨胀向外爆炸的反作用力会产长达秒的量级 , 以满足劳森判据 crite() 28 卷 1999 年 3 期1·45 ·ρ- 2( )R > 02gcm 。1α然而 ,在这样的条件下 ,粒子只有约 1 —2个射程。 对于惯性约束核聚变反应来说 , 由于α粒子没有受到磁场的约束 ,很快就会跑掉 ,对于ρ ( ρ5 —10keV 温度 , 氘氚的燃耗 f～ R/ R)ρ- 2+ 6 , 若 R = 02gcm , 这时的燃耗只有32 % ,这太不合算了。

因此在惯性约束核聚变- 2ρ的研究中 ,通常要求 R> 3gcm , 以保证燃耗 f > 33 %。从劳森判据估算可以得知 ,如果整个氘氚()(靶丸 压 缩 到 高 温～ 5keV 、高 密 度 ～ - 3) ρ = 3g/ cm2 的要求下 , 需要,则在 R 图5 实验室中实现核聚变反应的两种途径 :惯性约束核提供给氘氚靶丸的能量为 Ef= 1 7MJ ,若想能( )( )聚变 ICF 和磁约束核聚变 MCF 。提供真正有用的能量输出 ,则在效率约 4 % 的 [这两种途径的共同点是它们都要求 1 亿度的高温 ,密度和条件下 , 要求驱