聚变

定义

聚变指两个较轻的原子核结合为一个较重的原子核，同时放出粒子与大量能量的核反应，又称核融合、聚变反应或热核反应^[1]。它与重核分裂为轻核的裂变方向相反，两者都因反应产物的原子核结合得更紧、总质量略小于反应物而释放能量^[2]。

参与反应的原子核须带正电，彼此之间存在库仑斥力，因此只有温度足够高、粒子热运动足够剧烈时才能相互接近到核力起作用的距离，靠热运动获得能量的聚变特称热核反应^[3]。恒星内部依靠自身巨大引力约束等离子体，使聚变缓慢而持续地进行；太阳每秒释放的能量极其巨大，已稳定燃烧约 50 亿年，还将继续燃烧约 50 亿年^[1]。

原理

聚变释放的能量来自质量亏损。按质能关系 $E=mc^2$，反应后产物总质量比反应物略有减少，减少的质量转化为能量^[2]。最容易实现的反应是氘（D）与氚（T）的聚变：$D+T \rightarrow {}^{4}\mathrm{He}+n+17.6\,\mathrm{MeV}$，生成一个氦核和一个中子，能量大部分由中子带走^[4]。氘可从海水中提取，自然界中几乎不存在氚，需要在反应堆内用中子轰击锂来增殖^[4]。

在聚变所需温度下，燃料完全电离为等离子体，即由正离子和电子组成、宏观呈电中性且明显受电磁场影响的气体，被称为物质的第四态^[1]。等离子体的温度、粒子密度与能量约束时间的乘积称为聚变三乘积，只有达到一定阈值，聚变放出的功率才能补偿损失、维持反应自持，这一判据由英国物理学家劳逊提出^[5]。

由于地球上无法形成太阳级别的引力，工程上主要采用磁约束与惯性约束。磁约束用强磁场把上亿摄氏度的等离子体悬浮在真空室中，托卡马克和仿星器是代表装置^[6]。惯性约束则用多束激光或脉冲电流轰击微小燃料靶丸，使其内爆压缩，在极短时间内形成高温高压并发生反应^[7]。衡量装置性能的核心指标是 Q 值，即聚变输出能量与输入能量之比，Q 大于 1 表示实现了净能量增益。

graph LR

A[氘氚燃料] --> B[电离为等离子体]

B --> C{约束方式}

C -->|磁约束| D[托卡马克、仿星器]

C -->|惯性约束| E[激光或脉冲驱动内爆]

D --> F[聚变反应]

E --> F

F --> G[氦核 + 中子 + 能量]

G --> H[能量转换与氚增殖]

发展历程

人类对受控聚变的探索始于 20 世纪 50 年代。60 年代，苏联物理学家阿齐莫维奇等人研制出托卡马克装置，用轴对称环形磁场和环向等离子体电流约束高温等离子体，把等离子体温度提高到 1000 万摄氏度以上^[5]。90 年代，欧洲联合环状反应堆（JET）与美国托卡马克聚变试验反应堆（TFTR）开展氘氚实验，验证了可控聚变的科学可行性^[5]。

1985 年，美国与苏联牵头启动国际热核聚变实验堆（ITER）计划，2006 年反应堆正式启动建设，由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国七个成员方在法国共同建造托卡马克型实验堆，目标是投入 50 兆瓦功率、持续获得 500 兆瓦聚变功率^[8]。

2022 年 12 月 5 日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF）用 192 束、总能量 2.05 兆焦耳的激光轰击氘氚靶丸，输出 3.15 兆焦耳聚变能，首次在实验中实现净能量增益^[9]。中国方面，全超导托卡马克装置东方超环（EAST）于 2006 年建成，此后多次刷新长脉冲高约束模运行纪录^[5]。

应用

聚变最重要的应用目标是发电。聚变反应的燃料氘可从海水中提取，资源丰富；反应不排放二氧化碳，也不像裂变发电那样产生大量长寿命放射性废物，被视为清洁的下一代能源选项^[6]。除氘氚反应外，氘氘、氘氦-3 等反应也在研究中，但点火条件更高^[10]。

聚变研究还带动了超导磁体、耐辐照材料、大功率激光、精密测量等相关技术。例如 ITER 计划配有破裂缓解系统，可在毫秒量级内向等离子体注入冷冻氢或氖，以降低其能量、减轻对装置内部部件的损伤^[11]。天体物理领域则借助聚变理论解释恒星的能量来源与元素合成^[1]。

局限

实验室中的净能量增益与可商业运行的聚变电站之间差距很大。NIF 实验中 2.05 兆焦耳的激光能量本身需要耗费约 322 兆焦耳电能才产生，因此其点火并不等于发电意义上的 Q 值大于 1^[9]。惯性约束路线若要发电，须每秒点火多次，而现有装置每次发射后光学元件需较长时间冷却，难以连续运行^[7]。

磁约束路线同样面临等离子体不稳定性问题。等离子体不稳定性可能引发破裂，瞬间释放大量能量并损坏装置内壁，如何在长时间尺度上稳定约束上亿摄氏度的等离子体仍是核心难题^[11]。此外，14 兆电子伏特的高能中子会使面向等离子体的第一壁材料产生位移损伤与嬗变，结构材料需承受高热、高中子通量和高辐照的多重考验^[5]。

氚的供给也是一项限制。氚具有放射性，半衰期约 12.3 年，自然界中仅存数十千克，反应堆必须通过中子轰击锂自行增殖氚才能维持连续运行^[4]。这些工程与材料问题使聚变能的规模化应用尚未实现，仍需长期研究。

参见

• 核裂变 —— 重原子核分裂并释放能量的核反应，与聚变方向相反且已用于商业发电。

• 托卡马克 —— 利用环形磁场约束等离子体的磁约束聚变装置，是目前进展最快的技术路线之一。

• 等离子体 —— 聚变燃料在高温下所处的电离气体状态。

• 劳逊判据 —— 判断聚变反应能否自持的温度、密度与约束时间条件。

• 氢弹 —— 基于不受控聚变反应的核武器。