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激光透明陶瓷与能源

发布时间:2009-08-27

  能源问题一直困扰着全人类,使大家不得不对未来美好生活开始担忧:几十年几百年以后,石油没了,煤也没了,那么这个世界到底靠什么来运转?人类的生活将何去何从?或许,几百年后这个世界将依靠激光透明陶瓷来运转。

  通过激光激发核聚变将为人类提供取之不尽用之不竭的能源。大家知道核能的释放有两种方式:第一种是使比较重的原子核分裂成中等质量的核时释放能量,通常叫做裂变反应;第二种是使比较轻的原子核聚合成比较重的核时释放能量,通常叫做聚变反应.这两种反应释放的能量,分别叫做裂变能和聚变能.大家所熟悉的原子弹和核电站所放出的能量就是来自核裂变反应.目前的核电站所产生的能量来自核裂变反应,这种核裂变反应所提供的能量在本世纪的生活中将会变得越来越重要.但是,这种核电站的安全性、对环境的污染以及核废料的处理等问题的确令人大伤脑筋.而且,可用作裂变反应的主要核燃料在地球上的储存量相对其他元素来说比较稀少,尤其是从贫铀矿中开采和提炼这种核燃料。则要花费很大的人力和财力.可见,裂变能源并不是人类最理想的新能源.与此相反,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.而裂变释放出巨大的能量,远远比不上核聚变.同时核聚变反应中几乎不存在放射性污染,无需担心失控,不会发生爆炸,是一种真正无限、清洁、成本低廉和安全可靠的新能源.核聚变的燃料还可以说是取之不尽,用之不竭的.目前世界上能源消耗大约为每年0.72×10 J,若用氘作燃料的话,全世界每年只需消耗10 吨氘就够了.即便考虑到能耗的逐年递增,地球上的氘也足够用上1 000亿年!可见,聚变能源的燃料是取之不尽、用之不竭的。

  目前有3种不同的方式能实现核聚变,分别为:1.重力约束核聚变,2.磁性约束核聚变,3.惯性约束核聚变。其中最为可行的就是利用激光照射瞬间完成惯性约束核聚变。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体,装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束,球面因吸取能量而向外蒸发,受它的反作用,球面内层向内挤压(反作用力是一种惯性力,靠它使气体约束,所以称为惯性约束),就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样,小球内气体受挤压而压力升高,并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度(大概需要几十亿度)时,小球内气体便发生爆炸,并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短,只有几个皮秒(1皮等于1万亿分之一)。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去,所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。

  

  原理上虽然就这么简单,但是难点在于现有的激光束或粒子束所能达到的功率离需要的还差几十倍、甚至几百倍。因此激光透明陶瓷研究对于实现大功率飞秒激光器的制备对于解决人类的能源问题将起着至关重要的作用。自70年代以来,美国日本等主要发达国家先后耗费上百亿美金用于惯性约束高功率激光器的建设。我国的神光Ⅲ激光装置也将于2010年建成。

  激光透明陶瓷有望取代晶体的地位,成为应用最广泛的激光材料之一。这主要是由于激光陶瓷的制备采用了成熟的陶瓷生产方法,具有非常明显的成本优势,另外,还有一些优势是单晶难以具备的。综合看来,激光陶瓷相比于晶体主要有如下的优点:①陶瓷的制备时间短,烧结装置无需贵金属材料,烧结无需在高纯保护性气氛下进行,制备成本低;②陶瓷可以制备成多种形状,制备大尺寸的陶瓷是其制备方法固有的优势;③ 陶瓷中掺杂粒子浓度高,从整体上看掺杂粒子的分布均匀;④ 陶瓷烧结的温度比晶体的熔点低许多,制备出的陶瓷其组份偏离小;⑤陶瓷能够做成不同形状或者多层材料进行烧结,有可能发展出多功能陶瓷。

  激光陶瓷与玻璃比较,前者优势更为明显,这是由于激光陶瓷的热导率、硬度、机械强度等性能与晶体相当或优于晶体,而玻璃激光工作物质的主要不足就在这些方面。

黄毅华

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