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积极支持的技术经济可行性...
摘要 — 系留环是一种动态结构，可以经济高效地支持高空碳中和运输和太空发射基础设施。每座公里资本成本估计为 0.00121 美元/公里（分摊至 20 年）。如果将发射到附近行星、卫星和小行星的每公斤平准成本摊销至 150 万公吨的星际轨道有效载荷，则估计为 12.45 美元/公斤。系留环完全采用当今批量生产的材料建造，并利用了其他行业广泛使用且从工程角度易于理解的技术和物理原理。它使用称为“系留”的电缆产生升力的一个分量，并使用真空管内快速移动的磁约束质量流产生另一个分量。该架构使质量流能够以最小的磁摩擦进行限制，使其比轨道环、空间电缆和发射环等早期概念具有显著的运营成本优势。
量子中线性动力学等离子体问题的编码......
1. 简介 等离子体动力学建模通常涉及在精细网格上使用经典场进行操作。这需要处理大量数据，尤其是在动力学模型中，而动力学模型以计算成本高昂而闻名。量子计算 (QC) 有可能通过利用量子叠加和纠缠显著加快动力学模拟速度（参见 Nielsen & Chuang 2010 ）。然而，只有当模拟等离子体动力学的量子电路深度与系统大小（网格单元数）成有利的（多对数）比例时，量子加速才有可能。实现这种有效的编码具有挑战性，并且对于大多数具有实际意义的等离子体系统来说仍然是一个悬而未决的问题。在这里，我们探讨了一种有效的量子算法的可能性，用于模拟 Vlasov 等离子体中的线性振荡和波（参见 Stix 1992 ）。该领域的先前研究主要集中在初始值问题中对空间单色波或保守波进行建模（参见 Engel、Smith 和 Parker 2019；Ameri 等人 2023；Toyoizumi、Yamamoto 和 Hoshino 2023）。然而，典型的实际应用（例如，对于磁约束聚变）需要对非均匀耗散波进行建模
核反应堆中的纳米技术
Galaxy Advanced Engineering，美国新墨西哥州阿尔伯克基 87111 摘要：本文探讨了纳米技术和 MM（记忆金属）在增强核反应堆设计和运行方面的变革潜力，包括裂变和聚变技术。纳米技术能够在原子尺度上设计材料，显著提高反应堆的安全性、效率和寿命。在裂变反应堆中，纳米材料可以增强燃料棒的完整性、优化热管理并改善堆芯仪表。聚变反应堆受益于纳米结构材料，这些材料可以增强遏制和散热，解决维持聚变反应的关键挑战。SMA（形状记忆合金）或 MM 的集成进一步放大了这些进步。这些材料的特点是在热条件下能够恢复到预定义的形状，提供自愈能力、自适应结构组件和增强的磁约束。纳米技术与 MM 之间的协同作用代表了核反应堆技术的范式转变，有望实现更清洁、更高效、更安全的核能生产。这种创新方法使核工业能够满足日益增长的全球能源需求，同时解决环境和安全问题。关键词：纳米技术、MM、裂变反应堆、聚变反应堆、SMA、核能、反应堆安全、热管理、结构完整性、先进材料。1. 简介
人工智能与能源的集成（......
2.伊朗拉什特吉兰大学 2 校区物理系 摘要：在过去十年左右的时间里，人工智能 (AI) 技术以惊人的速度发展，如今几乎任何处理大量数据的行业都在利用人工智能，将其融入日常运营中。与此同时，全球 70 亿人塑造了世界能源系统，直接影响了可再生能源和不可再生能源的基本驱动力，以满足对电力的需求。这些能源可以从自然界获得，例如太阳能、风能等，也可以从人造能源中获得，例如 NPP (核电站)，其形式可以是裂变（曼哈顿计划以来的一项古老技术），也可以是聚变（磁约束或惯性约束）。与此同时，人工智能控制核反应堆即将实现。基本思想是应用 AI 及其两个子集组件 ML（机器学习）和 DL（深度学习）技术来处理来自反应堆的海量数据，发现其中的模式，并将它们调到机组的人工操作员那里，这也是不可侵犯的。此类核反应堆的设计人员将结合模拟和现实世界的数据，比较每种情况，以建立“对他们可以预测什么以及他们的预测的不确定性范围的信心”。最后，操作员将做出最终决定，以确保这些发电厂在运行时安全，以及如何保护它们免受网络攻击、自然或人为灾难。在这篇简短的交流文章中，我们想看看如何证明其中的一些概念；然后核电站制造商可以采纳并将其用于新一代反应堆的设计中。关键词：AI、ML、DL、可再生和不可再生能源、聚变和裂变反应堆、SMR（小型模块化反应堆）和第四代系统、IoT（物联网）、动态站点、投资回报率、总拥有成本。1.简介
![arXiv:2002.12686v1 [physics.pop-ph] 2020 年 2 月 28 日](/simg/g:\will\search\icon\source\3\3d7d3a637e2b39d41c528688a9d8ea24a8c39f86.webp)
arXiv:2002.12686v1 [physics.pop-ph] 2020 年 2 月 28 日
尽管从未尝试过，但可以评估，同样的技术可以用于执行一些初步的火星载人任务[1, 2]。众所周知，要真正探索和殖民最近的天体，需要开发广泛的技术[3]——开发原地资源的技术、保护宇航员免受辐射的技术、在目的地星球上制造工厂的技术等——但需要直接与推进相关的新技术。特别是，必须使用核能而不是化学能来推动航天器。基于核裂变反应的核热推进和核电推进（NTP 和 NEP）两种替代方案都得到了详细研究，前者已经进行了台架测试，结果非常令人满意。 NTP 和 NEP 可以减少旅行时间（从而减少宇航员受到的宇宙辐射），同时降低低地球轨道初始质量 (IMLEO)，从而使星际任务更加经济实惠，从而提高人类执行火星及更远星球任务的机会。NASA 设计参考架构 5 (DRA5) [3, 4] 报告了 NTP 和载人火星任务化学方法之间的有趣比较。此外，NEP 还可以显著改善化学推进，而上述两种核方法之间的选择主要取决于政治决策，即哪种技术可以发展到足够的技术就绪水平。上述两种核方法均基于裂变核反应 [5]。轻质结构和薄膜太阳能电池方面的最新进展使得人们可以考虑将太阳能电力推进 (SEP) 用于载人行星任务，尤其是首次载人火星任务。这是一种“过渡”解决方案，用于提高行星际航天器的性能，使其性能高于化学推进，同时等待 NTP 或 NEP 技术可用。通过将 SEP 的性能与化学推进和 NTP 的性能进行比较，IMLEO 方面的优势显而易见，而就 NEP 而言，它们仅取决于发电机的比重 α，短期内这对太阳能电池阵列比对核发电机更有利。从长远来看，后者会好得多，但开发 SEP 意味着为载人飞行任务开发高功率电推进器，以便在轻型核发电机可用时它们已准备就绪。无论如何，毫无疑问，要成为真正的太空文明，我们必须开发基于核聚变的火箭发动机 [6, 7]。使用聚变能进行航天器推进的想法由来已久 [8]。对于聚变推进，有两种替代方案：类似于 NTP 和聚变 NEP。在过去的 20 年里，许多研究都致力于核聚变发电的总体发展，尤其是核聚变火箭的发展。核聚变 NEP 需要开发轻型核聚变反应堆，而这在今天看来似乎是一项艰巨的任务。此外，这里的重点仍然只是发电机的比重 α，而核聚变发电机的 α 值要比裂变发电机更好还需要很多年 [9]，更不用说今天还没有出现过即使 α 值很高的核聚变发电机。在核聚变 NEP 中，α 值越低，比冲的最佳值就越高，因此即使有了轻型发电机，也需要做大量工作来改进电推进器。革命性的直接聚变驱动器 (DFD) 是一种核聚变发动机，其概念基于普林斯顿场反转配置反应堆，该反应堆无需经过中间的发电步骤即可从聚变中产生推力 [10]。该发动机的开发与普林斯顿等离子体物理实验室正在进行的聚变研究有关。DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量以及低辐射航天器推进系统。最简单的聚变驱动器类型是使用小型不受控制的热核爆炸来推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，而 D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内实现太阳系殖民的推进器。虽然与 DFD 相关的大多数研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速前往火星和小行星带的任务。结果表明，核聚变推进是开启太阳系殖民和建立太阳系经济的有利技术。本文的结构如下：在第二部分中，我们描述了推进器及其主要特性。第三部分专门考虑了地球 - 火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分讨论了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论要使聚变发电机的 α 值优于裂变发电机还需要很多年 [9]，更何况目前还没有可用的聚变发电机，哪怕它的 α 值非常高。在聚变 NEP 中，α 值越低，比冲的最优值就越高，所以即使有了轻型发电机，也需要做大量工作来改进电力推进器。革命性的直接聚变驱动器 (DFD) 是一种核聚变发动机，其概念基于普林斯顿场反转配置反应堆，该反应堆无需经过中间的发电步骤即可从聚变中产生推力 [10]。该发动机的研发与普林斯顿等离子体物理实验室正在进行的聚变研究有关。 DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论要使聚变发电机的 α 值优于裂变发电机还需要很多年 [9]，更何况目前还没有可用的聚变发电机，哪怕它的 α 值非常高。在聚变 NEP 中，α 值越低，比冲的最优值就越高，所以即使有了轻型发电机，也需要做大量工作来改进电力推进器。革命性的直接聚变驱动器 (DFD) 是一种核聚变发动机，其概念基于普林斯顿场反转配置反应堆，该反应堆无需经过中间的发电步骤即可从聚变中产生推力 [10]。该发动机的研发与普林斯顿等离子体物理实验室正在进行的聚变研究有关。 DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论
聚变能源的无限潜力” 6 月 13 日星期二
这些力会产生极高的压力和温度。1 我们的太阳内部温度为 2700 万华氏度，核心压力约为地球大气压的 3400 亿倍。2,3 在这些极端条件下，太阳核心中的氢原子被压缩并最终融合在一起，这一过程会以伽马射线光子和中微子的形式释放出大量能量。4 这种聚变能传播到太阳表面，是太阳发光的来源。5 几十年来，科学家和工程师不断突破实验物理学的界限，复制这种反应并将其用作能源。聚变反应堆给社会带来的潜在利益难以估量；燃料丰富且可广泛获取，碳足迹可以忽略不计，其相关的核废料和防扩散问题也微乎其微。6,7 尽管有这些激励措施，尽管该领域最近取得了里程碑式的成就，但聚变能科学仍然是当今实验物理学中最具挑战性的领域之一。陆地反应堆实现核聚变的关键基准被称为“点火”。点火定义为核聚变反应产物足以在没有外部能量输入的情况下维持等离子体温度和反应本身的点。8 换句话说，当反应产生的能量大于其消耗的能量时，即达到点火。通常，维持该反应所需的条件描述为：温度 (T)、等离子体密度 (n) 和约束时间 (t)。在过去的 50 年里，(n) 和 (T) 已经得到了相当完善的定义。9 核聚变能科学中剩下的一个核心挑战是第三个量：(t)。10 这是指核聚变产物在反应离子等离子体内的停留时间。11 为了产生大量的能量，需要时间来让核聚变反应发生。12 在我们的太阳内部，引力约束足以满足这一要求。在地球上，需要其他约束机制。两种主流约束机制是惯性和磁约束。 13 惯性聚变应用
高频真空电子器件
毫米波和太赫兹频率的真空电子器件在现代高数据速率和宽带通信系统、高分辨率检测和成像、医学诊断、磁约束核聚变等领域发挥着重要作用。由于电子在真空介质中运动速度快，与现有的其他辐射源（如固态器件）相比，它们具有高功率、高效率以及紧凑性的优势。我们设立“高频真空电子器件”专刊的目的是加强有关这些器件的理论、设计、仿真、工艺和开发的研究信息的交流，促进它们的应用，并吸引年轻的研究人员和工程师进入这个重要领域，这是现代电子科学和信息技术的重要组成部分。真空电子射频功率器件有很多种，包括线束器件、交叉场器件和快波器件。在高达太赫兹的高频范围内，速调管、行波管、波谷振荡管和回旋管因其高功率或宽瞬时或调谐带宽而受到广泛研究。为了在毫米波和太赫兹频率下获得高质量的性能，过去十年中出现了新的技术和工艺，包括使用 MEMS 和 3D 打印的微加工、用于窗口和衰减器的新型金刚石相关材料。同时，人们还研究了新的慢波结构和谐振结构，如超结构、高阶模式操作和片状电子束，用于获得高功率；杂散抑制；并降低制造难度，特别是在高频范围内。阴极、电子枪、I/O 结构、磁聚焦系统和收集器等器件零部件的革命性技术在高频真空电子器件的发展中发挥了关键作用。本期特刊包含 15 篇论文，涵盖了广泛的主题，涉及频率范围高达 340 GHz 的高频真空设备的设计、仿真、制造和测试，以及包括回旋管、TWT 和 EIK 在内的设备，以及波束形成和限制阴极、慢波结构和模式转换器等。高频回旋管是动态核极化核磁共振 (DNP-NMR) 应用的核心设备，可显着提高医疗系统和科学研究中高场 NMR 的灵敏度和分辨率。北京大学论文[1]《330 GHz/500 MHz DNP-NMR应用的线性偏振高纯度高斯光束整形与耦合》提出了用于330 GHz/500 MHz DNP-NMR系统的波纹TE11-HE11模式转换器和三端口定向耦合器的设计与计算。模式转换器的输出模式呈现出高度
科学/聚变能源科学 2025 财年国会理由
聚变能科学概述聚变能科学 (FES) 计划的使命是扩展对极高温度和密度物质的根本理解，并构建开发聚变能源所需的科学基础。此外，FES 的使命还包括推进所需的基础研究，以解决发展聚变能作为美国清洁能源所需的基础科学和技术差距。这一方法包括通过将研究平衡转向长期计划 (LRP) 聚变材料和技术 (FM&T) 差距来实现聚变能使命，这将三大科学驱动因素联系起来：维持燃烧等离子体、为极端条件设计和利用聚变能。SC 支持美国参与 ITER，以便美国科学家能够使用符合 LRP 目标的燃烧等离子体实验设施。 DIII-D 国家聚变设施和国家球形环实验升级 (NSTX-U) 设施是世界领先的科学办公室 (SC) 用户设施，用于实验研究，供国家实验室、大学和行业研究团体的科学家使用，以优化磁约束机制。惯性聚变能 (IFE) 合作中心为这项工作提供了补充，以支持惯性约束方法的战略发展。聚变创新研究引擎 (FIRE) 中心通过与多个公共和私人合作伙伴的小组研究合作，解决关键的科学和技术差距，并将发现科学、创新和转化研究结合在一起。与聚变私营部门的合作可以通过聚变能源创新网络 (INFUSE) 代金券计划和 FES 建立的聚变发展里程碑计划共同努力解决常见的科学和技术挑战，从而加速聚变能源的可行性，以支持政府的大胆十年愿景 (BDV)，为商业化聚变能源奠定基础。 FES 支持聚变理论和模拟方面的重大努力，以预测和解释等离子体作为自组织系统的复杂行为，从而补充这些实验活动。FES 还与高级科学计算研究 (ASCR) 计划合作，支持通过高级计算进行科学发现 (SciDAC) 组合。美国科学家利用国际合作伙伴关系对具有独特能力的海外托卡马克和仿星器进行研究。开发能够承受巨大热量和中子暴露并培育使聚变成为自给自足能源的燃料的新型材料和技术对于聚变试验工厂 (FPP) 的设计基础非常重要。材料等离子体暴露实验 (MPEX) 设施将解决等离子体-材料相互作用方面的知识空白。
惯性聚变能反应堆的燃料循环
在磁约束聚变 (MCF) 领域，氚燃料循环已得到详尽研究。[1,2,3] 已经开发出处理、监测、从化学结合物种中回收、浓缩和储存氚的技术，其产量接近反应堆相关产量。[4] 关键组件已在大型托卡马克或氚处理设施中进行了测试。[5] 该技术的很大一部分可转移到适用于惯性聚变能 (IFE) 的系统。然而，操作条件与磁性情况有很大不同，因此对 IFE 燃料循环组件施加了 MCF 情况下没有的条件，因此需要针对 IFE 特定主题进行研究。燃料回路由喷射器系统和用于回收反应堆流出物的基础设施组成。MCF 中的颗粒注入是一种将 DT 冰输送到托卡马克等离子体深处的有吸引力的方法。部署在 IFE 反应堆中的目标需要特定的设计来优化燃烧分数，该分数可能高达 1/3。这可能需要不同元素的复合层。湿泡沫等靶概念将由嵌入低密度 CH 泡沫中的液态 DT 组成，也很有前景。MCF 反应堆将在真空中运行，主要成分是氢同位素。一些 IFE 反应堆设计将在中等真空（几托）下运行，主要成分是氖或氙，以帮助缓和冲击波和对第一壁的粒子冲击。MCF 反应堆必须应对等离子体与偏滤器相互作用时产生的灰尘。IFE 反应堆需要将残留的靶碎片与流出物中的挥发性氢物种分离并去除。图 1 提供了 IFE 反应堆的通用燃料循环。作为代表性示例，该设计隐含了在薄壁塑料外壳内分层使用 DT 冰。泡沫填充的液态 DT 靶和更复杂的靶设计（例如采用空腔的靶设计）将需要更广泛的碎片收集和处理子系统（具体取决于细节）。燃料循环包括两个独立的回路：一个回路为反应堆提供燃料，另一个回路用于增殖氚。反应堆流出物被分离成两股：挥发性成分在气体离开反应堆时被低温抽吸，而颗粒碎片则通过重力送入收集器并氧化以将吸收的氢与碳物质分离。低温分离器将氦灰排放到环境中，将氖/氙转移以供再利用，并通过渗透器将氢同位素排放到同位素分离器。同位素分离器将氢排放到环境中，并将氘和氚引导到胶囊工厂和靶填充系统。增殖毯回路有两个主要功能：从反应堆中提取热量和增殖氚。反应堆周围是熔盐池，用于捕获和缓和聚变中子，作为氚增殖的前体。熔盐从反应堆泵出，通过热交换器、杂质去除子系统（用于净化熔盐）、氚提取模块，然后返回到反应堆周围的安全壳中。在 380 MWe IFE 反应堆中，主要物质的摩尔流速为：H、D、T、C、O、He 和 Xe，该反应堆使用封装在薄塑料壳中的 DT 冰靶。20 毫克氚靶以 0.5 Hz 的频率注入。燃烧分数假设为 25%。聚变功率转换为电能的比率假设为 30%。假设工厂占空比为 90%。