核聚变100问：核聚变是如何反应的？

1、核聚变的反应过程

核聚变反应是一种自发的反应，它是由质子和中子的相互作用引起的，当质子和中子互相碰撞时，它们的能量足以超越核子的电荷屏障，从而使它们合并成更大的原子核，释放出大量的能量。核聚变反应可以分为三个主要步骤：启动、燃烧和反应堆。

• 在启动阶段，需要使用高能量的粒子束来启动反应，以达到聚变反应的要求。
• 在燃烧阶段，反应堆中的燃料和中子被启动，产生的热能将燃料的温度提高到聚变反应的要求水平，从而使聚变反应发生。
• 在反应堆阶段，反应堆中的燃料将被稳定的中子流控制，从而维持聚变反应的可控状态。

核聚变反应是一种高效的能源产生方式，它可以产生大量的能量，但也有一些潜在的危险。如果反应堆失控，可能会导致核聚变反应的爆炸，从而造成严重的人员伤亡。因此，在进行核聚变反应时，必须非常谨慎，以确保安全。

轻元素聚变释放能量是由于两种相反力的相互作用：一种是将质子和中子结合在一起的核力，另一种是导致质子相互排斥的库仑力。质子带正电荷，在库仑力的作用下相互排斥，但它们仍然可以粘在一起，这证明了另一种短程力的存在，这种力被称为原子核引力。

轻核(或比铁和镍小的核)足够小，质子较少，允许核力克服库仑力排斥作用。这是因为原子核足够小，所有的核子都感受到短程吸引力，它们所受的核力与受到的无限程库仑排斥力一样强烈。通过核聚变从较轻的原子核构建原子核，会从粒子的净吸引力中释放额外的能量。

然而，对于较大的原子核，没有能量释放，因为核力是短程的，并且不能在较长的核长度尺度上继续作用。因此，能量不会随着这种原子核的融合而释放；相反，这些过程需要能量作为输入。

迫使原子核融合需要相当大的能量，即使是最轻的元素——氢。当加速到足够高的速度时，原子核可以克服这种静电斥力，并靠得足够近，使得吸引力核力大于排斥库仑力。一旦原子核足够接近，强力会迅速增长，聚变的核子实质上就会“落入”彼此之中，其结果就是聚变和产生的净能量。较轻原子核的融合产生了较重的原子核，通常还会产生一个自由的中子或质子，而且释放的能量比迫使原子核聚合所需的能量要多，这是一个可以产生自我维持反应的放热过程。

2、核聚变的能量产出

大多数核反应释放的能量比化学反应大得多，因为把原子核结合在一起的结合能比把电子结合在原子核上的能量大。例如，在氢原子核中加入一个电子所获得的电离能是13.6 ev，比图中所示的氘-氚(D-T)反应所释放的17.6 Mev的百万分之一还少。

聚变反应的能量密度比核裂变大很多倍，这些反应每单位质量产生的能量要大得多，尽管个别的裂变反应通常比个别的聚变反应能量大得多，而聚变反应本身的能量是化学反应的几百万倍。只有直接将质量转化为能量，例如由物质和反物质的湮灭碰撞所引起的能量，在单位质量上才比核聚变具有更高的能量。

研究利用核聚变发电已有六十余年的历史。尽管实现受控核聚变一直面临技术挑战，但重要的进展仍然在持续取得。到目前为止，受控的聚变反应尚未能够实现稳定的能量产出。目前，最前沿的两种实现受控聚变的技术分别是磁约束核聚变（采用环形装置）和惯性约束核聚变（使用激光技术）。

理论上，环形反应堆的聚变能量是将等离子体加热到所需温度所需能量的10倍，这种反应堆的可行设计正在开发中。ITER设施预计将在2025年完成建设阶段。它将在同年开始运行该反应堆，并在2025年启动等离子体实验，但预计要到2035年才能开始完全氘氚融合。