核聚变

核聚变（Nuclear fusion）是轻原子核聚合成较重原子核的核反应。一般核聚变过程中，两个或两个以上能量足够高的轻原子核，通常是氘[dāo]核、氚[chuān]核（氢的同位素核），克服了由于都带正电荷而存在的相互之间的库仑斥力，将距离缩短到核力作用范围，在核力的作用下形成重原子核，并产生中子或质子，释放能量。

1919年，科学家阿斯顿（F.W.Aston）发现了核聚变可以释放出能量。卢瑟福（L.Rutherford）证明了轻元素以足够能量相碰撞就有可能产生核反应。1920年，亚瑟·爱丁顿（Eddington）提出氢氦聚变可能是恒星能量的主要来源。1929年，阿特金森(R.Atkinson)和奥特迈斯(F.Houtermans)从理论上计算了氢原子在几千万度高温下聚变成氦的可能性，并认为太阳上进行的可能就是这种核聚变反应。1932年马克.奥利芬特（Mark Oliphant）第一个在实验室完成了氢同位素的聚变。1934年，奥立芬特(Mark Oliphant)发现了第一个D-T核聚变反应。 1938年，分别由德国出生的美国物理学家贝特（H.A.Bethe)和德国天文学家茨泽克（F.V.Wetabckor）各自独立发现聚变反应或称为“热核反应“。1942年，施莱伯（Schreiber）和金(King)在美国普渡大学第一次实现了D-T核聚变反应。第二次世界大战的结束和曼哈顿计划（原子弹爆炸）的成功实施，人们对原子物理和核聚变的兴趣与日俱增。1952年11月1日，基于热核聚变的首枚氢弹实验成功。

1951年，阿根廷的Ronald Richter认真提出了用核聚变方法来得到能量。20世纪50年代，欧美各主要国家开始着手进行磁约核聚变的相关研究。一些可控聚变的概念及相应的实验装置如仿星器、箍[gū]缩装置和磁镜装置等相继被提出。但上述装置的性能不是很理想，如在箍缩装置上，等离子体仅能维持几个微秒。与此同时，苏联也在进行受控磁约束的探索。物理学家塔姆（Tamm）和萨哈罗夫（Sakharov）认为，将环形等离子体中感应电流产生的极向磁场跟外部环向磁场结合起来，可以实现维持等离子体平衡的位形，并提出了实现磁约束容器的装置托卡马克（Tokamak）。1954年，第一个托卡马克装置在苏联库尔恰托夫原子能研究所建成，并在这个装置上实现了聚变反应，但其产生的能量极微，放电时间仅维持了

，随后研究人员对装置进行了改进，整体性能有了很大的提高。

托卡马克装置示意图

1958年的第二次和平利用原子能国际会议，各国将研究成果解密，公布了一批理论和实验结果，开始更密切的国际合作。60年代后期，俄国科学家在

Tokamak上克服等离子体的宏观稳定性上取得显著进展。磁约束聚变包括托卡马克、磁镜、仿埽器、箍缩等多种研究途径，其中托卡马克途径在技术上最成熟，进展也最快，逐渐显示出其独特优势，成为磁约束核聚变研究的主流。1976年，美国、苏联倡议在

的框架下由美国、欧洲、日本及俄罗斯工体建造

（International Tokamak Experimental Reactor，国际托卡马克实验反应堆）。这是一个巨大的科学计划，目标是验证工程可行性。

70年代以来，中国在一系列中、小装置(

、

、

、

、

、

等)上取得大量研究成果。90年代，中国建成了

超导托卡马克。中国成为少数拥有超导设备的国家。下 一代装置

大型超导托卡马克列入国家“ 九五“重大科学工程项目。1987年“聚变-裂变混合堆项目”正式列入中国“863计划”，由于诸多原因，在2000年中止。2003年1月，中国正式加入

计划协商。

核聚变是轻核子克服库仑斥力，后在核力吸引下聚合形成重核子的一个过程，一般过程中发生质量亏损，放出能量。

存在着稳定的原子核这一事实表明，核子和核子之间有很强的作用力，称为核力，核力的作用距离很短，是短程力，大约是

。核力是短程的强相互作用力，所起的作用主要是吸引。原子核都带正电，它们之间有库仑力作用，库仑力是长程力，表现为斥力。现在基于核子的原子核结构理论仍不成熟，对核力的性质了解仍不够。但是可以知道核聚变的过程是轻原子核克服库仑力，到达核力作用范围形成重原子核的一个过程。核聚变属于核反应的一种，大量实验表明，反应过程中遵守以下几个守恒定律：电荷守恒，质量数守恒，能量守恒，动量守恒，角动量守恒，宇称守恒。辨析：核聚变反应有反应物也有生成物，但不是化学反应。因为原子是化学变化中的最小微粒，化学方程式的反应物和生成物是原子分子，而不是原子核。例如

核聚变反应

，反应式左边为氘核和氚核，右边为氦核、中子和能量。

不同原子核由不同数目的中子和质子所组成，中子和质子统称为核子。实验表明，原子核的质量小于组成它的质子中子的质量之和。通常把这差值

称为质量亏损。式中

是核质量数，

是核电核数,

、

和

分别是质子、中子和原子核的质量。根据爱因斯坦相对论的质能关系，我们可知，彼此分离的核子（即单个质子或单个中子）形成原子核所放出的能量为

我们把这个能量定义为原子的结合能。

不同核素原子核含有的核子数量、种类不同，它们的结合能也不同，为此，引入核子平均结合能概念。定义

为核子平均结合能，也叫比结合能。

比结合能曲线

从结合能曲线中，可以看出质量数很小的

原子核的平均结合能要比质量数为中等值的原子核的平均结合能小,由此可以推理得：质量数很小的两个适当的原子核在一定条件下重新组合成一个质量数较大的原子核，如当四个氢（

）或两个氘（

）结合成一个氦核等，会释放出能量，这就是人类利用核能的一重要途径即核聚变的理论依据。

要使核反应过程能够发生，原子核或其他粒子（如中子、

光子等）必须足够接近另一个原子核，一般须达到核力作用范围之内，即小于

的数量级。而要发生核聚变，由于每个核都带正电，当它们靠近时相互排斥越来越强。因此为了使两个核相互作用，必须给它们足够的能量。例如两粒氘核克服库仑斥力，彼此接近到原子核内核子之间的距离（

），此时库仑势能

大约

焦耳。

使原子核得到足够高的能量，以克服它们之间的排斥力，使核聚变反应发生的方法有两种，分别为用加速器加速提供能量和升高温度提供能量。此外，人工核聚变还有利用

子催化使库仑斥力减小的冷核聚变。

利用加速器产生核聚变反应是简单的，但是利用加速器得到的加速粒子去打固定靶，但是不可能产生富余能量。因为把加速的氘核打到含氘的固定靶上时，能够发生聚变的概率很小。例如用

的氘核去轰击含氘的固体靶，通过计算得到它同靶中电子（固定的，能量低）碰撞的能量损失截面

而发生聚变反应的截面

，二者的比值约

。这表示一百万粒氘核进入靶内，只有一粒核发生了聚变反应，其他的都同靶中电子碰撞损失掉了。即使一次聚变放出的能量

，约是

的一百倍，这个方法也是得不偿失的。不过在实验室里它被广泛地用于研究氘-氘（

）和氘-氚（

）反应的几率（或核反应的截面）。事实上，已知的这些反应中有许多都是用这种方法确定的。

除了利用加速器供给原子核能量的方法，还有一种方法是升高温度。原子（或原子核）的动能正比于绝对温度，因此只要得到足够高的温度就可以发生聚变反应。将电子温度加热到跟入射粒子一样高时，此时的物质已不是一般的固体，而是等离子体了。等离子体是大量正离子和电子的集合体，是物质的一种新形态，称为物质的第四态。由高温引起的聚变反应叫做“热核反应”。这个方法消除了散射电子的能量损失。电子温度加热到跟入射离子一样高，也就是其平均动能相等。同时，在高温系统里，原子核在被约束住不逃逸的情况下，许多原子核碰撞，即使只发生散射，其效果是能量再分配而不是损耗，温度和平均能量都不变。而原子核在任意方向上运动，可以不断碰撞，直到发生核聚变为止。这与使用加速器加速粒子情况大不相同。氢弹爆炸就是一种人工实现的不可控的热核反应。太阳上也发生的是热核反应。

冷核聚变发生于

子催化下。热核反应的种种条件都是因为静电斥力的存在，使离子核之间难以靠拢。负

子与电子一样，带一个负电荷，而质量是电子的207倍，负

子进入靶原子，可将电子打出，取代电子，根据量子场理论，负

子离核距离比电子近。两个含

原子可形成一个介子分子，或

分子离子。通过这种途径而相互接近的两个原子核更易于聚合而形成新的原子核，同时放出

子，反应终了

子未变，像催化剂一样。但

子催化寿命只有两微秒多，一个

子大约可催化一百多个氘-氚聚变，一个

子至少催化

个聚变反应才能使它催化产生的能量大于产生它的能量。

氢弹爆炸就是人工实现的不可控热核反应，是很难作为一般能源来加以利用的。受控热核反应就是要根据人们的需要，有控制地源源不断地产生聚变，以提供能源。为了达到这个目的，必须造成一个稳定的高温等离子体，使它有足够的时间产生聚变反应，放出的能量能够超过维持这反应所消耗的能量。

受控热核反应中产生的聚变核能，减去辐射和其他能量损失以后，还能超过加热物质所需要的能量，并在能量上有所增益。为达到这一点，对产生反应的轻核等离子体的温度、密度和约束时间将有一定的要求，其临界要求称为劳森〔J.D.Lawson）判据。劳森判据最简单的形式为

,即

。

是等离子体的动能，

是轫致辐射的能量损失，

为聚变功率。这里

为轫致辐射功率，

为等离子体约束时间，

为温度。对于一个装置来说，产生的能量是不可能完全转变成输入能量的。加入转换效率

后，装置起动条件为

，整理可得

。这就是劳森判据的一般形式。

为了实现受控热核聚变并获得能量增益，必须满足劳森判据。核心问题是设法产生并约束一个热绝缘的稳定的高温等离子体，其密度要足够的高，被约束的时间要足够的长。等离子体的密度越大，粒子碰撞发生的核聚变反应概率就越大；高温和等离子体维持时间越长，聚变反应就越充分。约束高温等离子体的方法有磁约束、惯性约束，引力约束，但引力约束在地球上是无法实现的。太阳中的热核聚变反应是引力约束聚变，太阳的巨大质量所产生的引力，把太阳上的高温等离子体约束在一起，维持热核反应的进行。氢弹爆炸属于惯性约束聚变，在氢弹中所进行的聚变反应过程非常短暂，根本没有对燃料等离子体采取任何约束措施，只依靠燃料本身的惯性保持避免它们过早解体。目前，研究受控热核聚变的实验装置多种多样，但是，根据其实现约束的原理，这些装置可以分为两类：磁约束和惯性约束。

根据等离子体中带电粒子与磁场间的洛仑兹力作用以及高温等离子体的稳定性研究，精心设计的各种特殊的磁场形态实现对高温等离子体的约束。电流的欧姆加热使等离子体的温度自动上升。

精确利用来自四面八方的激光束、相对论电子束或高能重离子束，在一个很短的时间内，同时射向一个微小的靶丸，使其加热、压缩以产生热核聚变。在这种情况下，由于约束时间短，可不考虑辐射能量损失。除了激光外，还有用电子束、重离子束约束的，但是未成功。

太阳和恒星的核聚变是四个

(氢)结合成一个

的过程,但是四个不会一下就结合成为一个，而要通过一定的反应链来实现。

太阳高清图

目前人们认为在太阳和其他恒星中主要存在两种反应过程：质子-质子反应链

太阳中氢转换成氦核的三个反应

碳-氮反应链

循环结果是使

个质子(

)聚合成一个

粒子（

）和两个正电子（

）、

个中微子，放出

能量。

据一般猜测，氢弹中的爆炸材料主要是氘、氚、锂的某种凝聚态物质。比较大的可能性是氘化锂和氚化锂的混合物，锂的作用是在爆炸过程中补充氚的供应。反应式为

中国第一颗氢弹爆炸图

一般认为氢彈爆炸所需要的初始高温是由裂变的原子弹提供的。装在氢弹内的裂变物质爆炸产生高温高压，使轻核聚变，放出更大的能量。

质子-质子反应链和碳-氮反应链，反应截面（一个入射粒子同单位面积靶上一个靶核发生反应的概率）太小，反应时间太长，在地球上不可能把那么高温度的等离子体约束那么长的时间，所以在地球上人工实现是不可能的。在地球上人工可能利用的轻核聚变反应，应是在温度不太高时具有较大截面的反应。这类反应主要有以下两种：

D+d聚变两种反应道反应式

此外还可利用的聚变反应有：

磁约束核聚变研究从科学研究到能源应用大致可分为四个阶段：科学可行性验证、工程可行性验证、示范反应堆和商用反应堆。总体上看，国际磁约束核聚变研究正处在点火装置和氘氚燃烧实验阶段，并逐步向反应堆工程实验阶段过渡。

20世纪90年代，欧盟的

、美国的

和日本的

这3个大型托卡马克装置在磁约束核聚变研究中获得许多重要成果：

聚变实验达到点火条件进展

等离子体温度达

亿度，这一温度大大超过氘氚反应达到点火的温度要求，已接近了氘氦

聚变反应堆点火对温度的要求；脉冲聚变输出功率超过

；聚变输出功率与外部输人功率之比Q（能量增益〕等效值超过

。在实验上验证了托卡马克途径实现聚变的科学可行性，表明了托卡马克是最有可能首先实现聚变能源商业化的途怿[yì]。

目前，国际磁约束聚变研究的前沿问题包括：燃烧等离子体物理、先进托卡马克隐定运行和可靠控制、

工况下的等离子体与材料的相互作用、长脉冲和隐态条件下的物理和技术、聚变等离子体性能的预测、反应堆核环境条件下的材料和部件、示范堆的集成设计；急需解决的科学和技术问题有：托卡马克主要物理过程研究；先进托卡马克运行模式探索；长脉冲条件下的物理和技术；

等离子体条件下的等离子体与材料的相互作用；聚变等离子体性能的预；聚变实验/示范堆的集成设计；反应堆核环境条件下的材料和部件。

2006年，中国科学院等离子体物理研究所研制的世界第一座具有偏滤器位形的非圆截面全超导托卡马克装置

投入运行，

主要研究长脉冲物理。2018年11月，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所宣布在合肥综合性国家科学中心的全超导托卡马克核聚变实验装置（

）实现一亿度等离子体运行。2021年5月，

创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。2022年10月19日，中国环流器二号

装置（

）等离子体电流突破100万安培（1兆安）。2022年12月，美国能源部宣布，劳伦斯利佛摩国家实验室科学家首度达成“能量净增益”，即在核聚变反应达成产出的能量远高于引发反应所使用能量，将有助发展洁净能源。2023年4月12日21时，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（

）创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，2023年8月，“中国环流三号”首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。

能量密度高：单位质量的氘聚变所放出的能量是单位质量的

裂变所放出的能量的

倍左右，

海水中的氘提取出来使它发生聚变反应，放出的能量相当于燃烧

汽油的能量。储量极为丰富：每克氘经聚变可以放出

千瓦时的能量，地球表面海水含氘大约

吨。

100MW电站的燃料和排放物

相对清洁：

核聚变的最终聚变产物仅为无放射性的氦，不产生二氧化碳等温室气体，也不产生长寿命放射性废物。具有内在安全性：燃烧等离子体一旦形成，任何运行故障都能使等离子体迅速冷却，从而使聚变反应在短时间内自动停止。产物有广泛用途：核聚变反应所产生的大量高能中子在军事上及其他领域都有广泛的用途。

核聚变的缺点是会产生一定的放射性废物，需要加以处理。其次，要实现受控热核反应，需要满足较多条件（

以上温度、长时间的等离子体的稳定约束），目前技术障碍还是没有完全克服。

核聚变反应的应用有：制作核武器-氢弹、产生高能中子，用于研究核内部结构、获得原子能（新能源，处于研究阶段）-核聚变发电。等。

发电原理示意图

核聚变发电方面：为了考察核聚变的可行性、安全性、环境和经济潜力，中国已经设计和评估了一系列核聚变发电厂（命名为FDS系列），重点是在中子学、热工水力、电磁学、材料、结构和性能分析方面进行包层设计优化。发展了四个概念，即以嬗变长寿命核废料和裂变核燃料增殖为目标的聚变次临界系统（FDS-I）、以发电为目标的聚变动力堆（FDS-Ⅱ）、聚变基制氢堆（FDS-Ⅲ）和球形托卡马克紧凑堆（FDS-ST）。研究了He/PBLI双冷高放废物嬗变包层、He单冷PBLI氚增殖包层、He/PBLI双冷包层、高温液体PBLI包层和实验包层模块（TBMs）及其实验策略。