美国首次成功在核聚变反应中实现「净能量增益」，这具有哪些重大意义
时间: 2022-12-16 03:01:03 | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 106次
为什么核聚变对人类那么重要 ？
由我国自主研发的核聚变装置成功在1.6亿度的高温下坚持运行了20秒钟，不要小看这短短的20秒，这在世界上是史无前例的。
众所周知，核能源是人类未来的发展方向，从上个世纪开始，人类开始使用核裂变的原理进行核能发电，虽然现有的核反应堆也可以产生大量能源，但是在核裂变面前实在是太少，不仅产生的能量少，辐射还非常高，遗留下来的核废料也是世界各国最为“棘手”的问题。
掌握核聚变技术，对人类而言意味着什么？
但是核聚变不一样了，核聚变可以产生巨大的能量，甚至可以用“取之不尽，用之不竭”来形容，不仅如此，相对于核裂变来说，核聚变产生的辐射反而非常少，也不用担心核废料问题。可是核聚变的条件非常高，温度需要达到上亿度才能够触发核聚变，人类虽然现在能够利用核聚变制造武器，却无法让它缓慢并持续释放能量。
太阳光就可以看作是“取之不尽，用之不竭”的能源，太阳可以持续燃烧100亿年，而它利用的就是核聚变，由此可知，掌握了核聚变技术，就好比人类可以制造太阳，对于人类社会的发展、人类文明的进步得有多大的影响！只要掌握了核聚变技术，人类可以直接迈向一级文明，而现在人类才处于0.72级文明。
开发新能源，对人类来说至关重要
能源一直是各国努力追求的方向，近代以来许多的战争，都是以争夺能源为目的，比如中东战争、海湾战争、阿富汗战争等等，全部都是以争夺能源为目的的，可见能源对于人类的重要程度。
现代工业所需要的各种金属，它们的数量也受到能源的制约，其实我们人类现在可以过去的矿产非常少，很多矿产资源都在地壳下面，而数量影响了价格，如果地底下那些大量的矿产资源也都被开发出来的话，金属的价格可能会变得非常低，包括建造各种高科技设备的稀有金属，而制约开发地底矿产资源的难题就是能源问题，如果核聚变技术突破了，那各种资源就会变得非常多，人类文明的发展也会前进一大步。
另外现在很多发达国家都掌握着能源“命脉”，比如说美国，通过多次战争，中东的石油资源基本上是美国说了算，这样美国就会越来越强大，其他国家与美国的差距就会越来越大，如此形成恶性循环，但是如果我们国家率先将核聚变“商业化”，那么超越美国也只不过是时间问题。
实现核聚变可控技术还有另外的一个重要作用，那就是人类“殖民”外星也指日可待，因为外星比如说火星月球都是没有氧气的，而制造氧气需要使用大量的能源，而利用核聚变制造氧气轻而易举，只需要用足够的水来制氧就可以了，根本不需要考虑能源问题，只需要建造足够大的基地，人类就可以在里面种植蔬菜农作物，可以进行长期的生存。
我国现在已经有了大体的规划，大约在2035年左右，会建成第一座实验核聚变反应堆，有望成为世界上第一个可以控制核聚变的国家，甚至成为世界上第一个接近一级文明的国家。
如果我的回答对您有所帮助，记得点亮采纳哦，谢谢啦！
我们每天都能接触到核聚变能，就是太阳能，人们还用不用火，关键看替代物，如果实现可控核聚变，火也许会被电完全替代。现代人们的生活离不开家电，火将远离人们的生活，如果实现可控核聚变，核电站发电成本非常低，电价将变得非常廉价，你还会用高价的燃气煮菜做饭吗？还会开燃油车吗？如果你非要说点个火压压惊，那么，你还可以用它。
可控核聚变是未来能源，一旦实现人类将无能源问题困扰。但点根烟这样的小事未必需要用核聚变产生的能量吧，火作为人类掌握的第一种能量利用方式，大概会被保留。如果可控核聚变成现实，很多行业会产生巨大的变革，例如汽车、电动车等，淘汰化石能源，希望能逐步取消各个地方的水力发电站，还自然生态一个真正的面目。居家采用核电做饭的可能性有点小，如果以小区为单位的有可能逐步实现，逐步变革家用核电。采用以核为主的电池可能代替很多很多现阶段的电池系统。
火是人类改造自然，走向文明的一个主要元素，其现实意义在很长一段时间内不可能改变其地位。火的获得简单实用，可能会伴随整个人类社会。从放射性来说，民用的东西还是会用火，吃火锅不能在炉子里放点放射性物质吧，家里炒菜不能铀235来提供能源吧。这个三十年后只有中国掌握的技术，到时候就是人民币的第一硬通基础，全世界人民都是中国供电局管理的客户。
人类利用可控核聚变是利用其热能发电，因此今后即使人类实现了核聚变但人类还是离不开明火，比如航天飞机和火箭的发射这种由液氧产生的高温明火产生的向上推力达到宇宙速度的能量是电能无法达到的，在民间人类依然会使用明火比如中国人喜欢明火爆抄的菜肴，西方人喜爱的火炭烤肉等等，原始的人类因为学会了使用火而加快了人类的进化，为此人类永远离不开火。
原理 简单的回答：根据爱因斯坦质能方程E=mc2.
原子核发生聚变时，有一部分质量转化为能量释放出来。
只要微量的质量就可以转化成很大的能量。
两个轻的原子核相碰，可以形成一个原子核并释放出能量，这就是聚变反应，在这种反应中所释放的能量称聚变能。聚变能是核能利用的又一重要途径。
最重要的聚变反应有：
式中D是氘核（重氢）、T是氚核（超重氢）。以上两组反应总的效果是：
即每“烧’掉6个氘核共放出43．24MeV能量，相当于每个核子平均放出3．6MeV。它比N＋裂变反应中每个核子平均放出200／236＝0．85MeV高4倍。因此聚变能是比裂变能更为巨大的一种核能。
核聚变能利用的燃料是氘（D）和氚。氘在海水中大量存在。海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子，海水中氘的总量约40万亿吨。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。按目前世界消耗的能量计算，海水中氘的聚变能可用几百亿年。氚可以由锂制造。锂主要有锂-6和锂-7 两种同位素。锂-6吸收一个热中子后，可以变成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多，也有两千多亿吨。用它来制造氚，足够用到人类使用氘、氘聚变的年代。因此，核聚变能是一种取之不尽用之不竭的新能源。
典型的聚变反应是
411H—→42He+20-1e+2.67×107eV
21H+21H—→32He+10n+3.2×106eV
21H+21H—→31H+11H+4×106eV
31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV
后三个反应的净反应是
521H—→42He+32He+11H+210n+2.48×107eV
即每5个21H聚变后放出2.48×107eV能量。
氘是相当丰富的氢同位素，在海洋中每6500个氢原子就有1个氘原子，这意味着海洋是极大量氘的潜在来源。仅在1L海水中就有1.03×1022个氘原子，就是说每1Km3海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧13600亿桶原油的能量，这个数字约为地球上蕴藏的石油总储量。
人类现在已经可以利用核裂变来发电了，但地球上核裂变的资源是非常有限的，根据相关数据，目前地球上已探明的可以用作核裂变的原料仅仅够人类使用几十年的时间。相比之下，地球上核聚变的资源就要多出很多了，地球上的海水中拥有40万亿吨氘（氢的同位素），而如果完全利用的话，一公斤氘的核聚变反应就可以产生差不多1亿度的电能。这还没有算上宇宙中其他的广泛存在的核聚变资源，例如月球上储量惊人的氦-3。
如果人类能够随意控制核聚变的能量，我们就可以实现完全的自给自足，甚至可以不再依靠太阳！这也就意味着人类文明将会前进很大的一步，有了可控核聚变，人类走出太阳系将指日可待。换一个角度来看，核聚变是具有高效率、低成本的清洁能源，这也非常符合人类发展的方向。
核聚变的原理就是通过技术手段将氢原子“捏”在一起，使其聚变为氦，在这个过程中会释放大量的能量。以目前的科技，要使氢原子发生核聚变，就必须用高温高压的方式，这个原理很简单，原子核之间有着巨大的排斥力，我们又不可能真的能将原子核“捏”在一起，所以就只有将原子核加速，只要原子核具有足够的速度，它们就可以克服排斥力撞在一起，而高压环境下的原子核会更集中，这将大大增加原子核碰撞的概率。要将原子核加速，科学家们可以简单的用升高温度的方法来实现，由此可见，核聚变最关键的就是高温环境。
人类的末日武器-氢弹就是核聚变反应，它的原理就是利用引爆小型原子弹（核裂变）来达到高温高压的环境，进而引发氢弹的核聚变反应，并在一瞬间释放出强大的能量。
但这种反应是破坏性的，不可控制的，如果人类要利用它的能量，这种方式明显是不可行的。人类需要用一种持续的、平稳的方式来获得核聚变的能量。从理论上来讲，可控核聚变实现起来似乎并不难，只需要三步就可以，第一步、将核聚变原料放入一个容器中；第二步、对核聚变原料加温加压使其产生聚变反应；第三步、通过某种方式将容器里的能量平稳的导出来。
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人类现在已经可以利用核裂变来发电了，但地球上核裂变的资源是非常有限的，根据相关数据，目前地球上已探明的可以用作核裂变的原料仅仅够人类使用几十年的时间。相比之下，地球上核聚变的资源就要多出很多了，地球上的海水中拥有40万亿吨氘（氢的同位素），而如果完全利用的话，一公斤氘的核聚变反应就可以产生差不多1亿度的电能。这还没有算上宇宙中其他的广泛存在的核聚变资源，例如月球上储量惊人的氦-3。
如果人类能够随意控制核聚变的能量，我们就可以实现完全的自给自足，甚至可以不再依靠太阳！这也就意味着人类文明将会前进很大的一步，有了可控核聚变，人类走出太阳系将指日可待。换一个角度来看，核聚变是具有高效率、低成本的清洁能源，这也非常符合人类发展的方向。
核聚变的原理就是通过技术手段将氢原子“捏”在一起，使其聚变为氦，在这个过程中会释放大量的能量。以目前的科技，要使氢原子发生核聚变，就必须用高温高压的方式，这个原理很简单，原子核之间有着巨大的排斥力，我们又不可能真的能将原子核“捏”在一起，所以就只有将原子核加速，只要原子核具有足够的速度，它们就可以克服排斥力撞在一起，而高压环境下的原子核会更集中，这将大大增加原子核碰撞的概率。要将原子核加速，科学家们可以简单的用升高温度的方法来实现，由此可见，核聚变最关键的就是高温环境。
人类的末日武器-氢弹就是核聚变反应，它的原理就是利用引爆小型原子弹（核裂变）来达到高温高压的环境，进而引发氢弹的核聚变反应，并在一瞬间释放出强大的能量。
但这种反应是破坏性的，不可控制的，如果人类要利用它的能量，这种方式明显是不可行的。人类需要用一种持续的、平稳的方式来获得核聚变的能量。从理论上来讲，可控核聚变实现起来似乎并不难，只需要三步就可以，第一步、将核聚变原料放入一个容器中；第二步、对核聚变原料加温加压使其产生聚变反应；第三步、通过某种方式将容器里的能量平稳的导出来。
事实上，要点燃核聚变对于人类来说并不困难，科学家们可以用多束高能激光，从各个方位对核聚变原料进行加热，从而实现“点火”的目的。但难点就在于这个“容器”上，要知道核聚变会产生至少5000万摄氏度的高温，与此同时还会产生强大的辐射能，以现在的科技，人类根本制造不出能够扛得住这种极端“折磨”的材料。
但是聪明的科学家想出了另外的办法，在高温环境下，原子中的电子与原子核之间的连接会被打破，在这种情况下电子会挣脱原子核的束缚，这种现象被称之为“电离”。失去电子之后，剩下那些原子核就变成了“等离子体”，由于等离子体是带正电的，所以它们可以被磁场约束。基于这种理论，上世纪50年代，前苏联的库尔恰托夫研究所发明了“托卡马克”装置，使人类在可控核聚变的领域迈出了从无到有的第一步。
然而用磁场来约束等离子体，在实际操作上难度是极大的。要让核聚变持续、稳定的进行，就必须要保证磁场要长时间的、非常均匀的分布，而事实上这是目前科技水平不能做到的。任何不均匀的磁场都会对等离子体造成扰动，这些扰动会在电磁作用下瞬间放大，从而使整个核聚变反应变得不受控制，要么反应太激烈，要么停止反应。
可控核聚变的难度远不止于如何约束等离子体，在很多细节上都有难以突破的瓶颈，比如说要用约束等离子体，就必须要有很强的磁场，而要制造很强的磁场就需要有强大的电流，因此只能用超导体来完成这个磁场的建设。要知道超导体必须在超低温下工作，一般的温度都需要零下200摄氏度，但它们要约束的又是温度至少是5000万摄氏度的高温物质……其中的难度可想而知。
在可控核聚变中有一个专业术语叫“第一壁”，它指的是在核聚变中面对等离子体的第一层固体隔离结构，“第一壁”起的是封闭能量的作用，如果没有了它，收集核聚变产生的能量也就无从谈起。“第一壁”也是技术上的一大难题，在几千万甚至上亿摄氏度的高温以及巨大的辐射能面前，目前人类所能制造的任何材料挺不了多长时间。
值得一提的是，在可控核聚变的研究领域，我国在全世界上是处于领先的水平， 2021年11月12日，中科院合肥物质科学研究院宣布，我国的全超导托卡马克核聚变实验装置EAST实现了“1亿摄氏度等离子体运行”等多项重大成就。
虽然可控核聚变之路困难重重，但是全世界的科学家对此热情不减，2006年，中国、美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国和印度启动了“国际热核聚变反应堆计划”（简称ITER），该计划参与各方投入了大量的人力物力，致力于攀登这座“人类科技的巅峰”。相信随着科技的进步，“50年之后，可控核聚变可以得到实现”。
核聚变是驱动恒星的引擎，那么人造聚变反应堆是如何工作的呢？
核聚变是驱动恒星的引擎，许多人认为这是能源技术的“圣杯”。一个正常运转的聚变反应堆可以无限期、安全和无危险地为世界提供几乎无限的能源。不幸的是，这项技术仍然是科幻小说的素材。这让许多读者不禁要问，“什么是核聚变，人造聚变反应堆是如何工作的”？
在我们进入聚变之前，我们先来谈谈裂变。核裂变与核聚变相反，它是分裂原子的过程。当原子分裂时，无论是通过放射性衰变（放射性）还是通过核连锁反应（核弹），它们都会释放出大量的能量和电离辐射。核电站利用这种裂变能为全世界11%的人口提供电力。
聚变是将两个或多个原子结合起来创造新东西的过程。当两个质量比铁低的原子核发生这种情况时，这个过程会产生大量的能量。当原子核与比铁重的质量结合时，它实际上消耗能量。后者是对恒星的死刑判决，当一颗恒星开始在其核心熔合铁时，它就要变成超新星了。
现在，我们只讨论前者，融合能产生能量的较轻的原子核。这些较轻的原子核的行为可能与我们的直觉相反。当我们试图把两件事推到一起时，这需要工作和精力去做。当我们试图将原子融合在一起时，它们实际上想在原子足够接近后粘在一起。当两个原子粘在一起并融合成新的东西时，它们释放出大量的能量。
在核聚变之后，实际上需要一点能量才能把它们维持在融合状态。不幸的是，由于氢原子具有相同的电荷，所以当它们彼此靠近时，就会相互排斥。这有点像迷你高尔夫——如果你想把球放在一个陡峭的斜坡上的洞里，要把球挪到洞附近需要一点功夫。但一旦球越过了洞的边缘，它就会立即下沉并弹入原位，它“回家”。这要归功于强大的核力，它能使原子“粘在一起”。
更大、更重的原子的工作方式有点不同。它们只是勉强保持在一起，丝毫的扰动都会使它们碎裂并导致能量释放。这就是我们所说的放射性，这种效应用来加热水，形成蒸汽可以驱动涡轮机，为核电站发电。
核聚变研究已经进行了几十年。虽然进展缓慢，但近年来取得了一些令人振奋的进展。虽然实现核聚变的方法有近十几种，但目前有两种设计处于领先地位，最有希望获得成功。它们是惯性约束聚变和磁约束聚变。
惯性约束融合
描述惯性约束聚变的一种俗语称为激光聚变。这是一个名副其实的描述，因为这正是它的本质。几十个世界上最强大的激光被激发，然后在系统中被放大，然后聚焦到一个小目标上。目标通常是一（10毫克）氘 - 氚小球。激光以这样的力量、速度和能量撞击，压缩颗粒并在其有时间通过传统方法使其自身破裂之前立即加热。这个过程发生得太快（在10^(- 11） 到1010^(-9 ） 秒之间），以至于离子被自己的惯性卡住，这就是惯性约束聚变这个名字的由来。
一旦氘 - 氚小球达到一定的压力和温度，就会实现“点火”。“点火”是指小球开始连锁反应的过程，这种连锁反应导致物质开始熔化，从而产生大量的能量。一个10毫克的氘 - 氚小球实现聚变，相当于燃烧一整桶石油。
小球本身是氘和氚的一对一混合物，氘 - 氚都是氢的同位素。全球氘的供应实际上是无限的，它可以从各种形式的水中蒸馏出来，每升海水中含有33毫克的氘。另一方面，氚确难以获得，它是一种快速衰变的氢元素，在自然界中极其罕见。全球氚的总供应量约为45磅。幸运的是，它可以在核聚变过程中产生。当中子撞击聚变反应堆包层壁中的锂时，它被“繁殖”。任何未来的大规模商业化ICF聚变反应堆计划，都必须包括培育自己的氚。
虽然实验性的激光聚变确实能实现“点火”，但问题是从中获得的能量比你投入的能量要多。激光所需的能量相当可观，而对于加利福尼亚州的美国国家“点火”设施（NIF），他们需要将产量提高100倍，才能达到收支平衡。另一个问题是小球本身；如果激光击中小球，而小球没有被均匀地压缩和加热，不仅会有显著降低能量增益的风险，还有可能根本无法实现“点火”。
磁阻融合
磁约束聚变比激光聚变更奇特。实现聚变的过程是使用强磁场来挤压、加热和控制过热的等离子体。等离子体在环形反应器中循环，其中附加的加热等离子体的方法也在辅助加热等离子。 电流也流过等离子体，在某些情况下，还会发生微波，中性束注入和射频加热。 目的是使等离子体尽可能热以引发聚变，温度需要达到或超过1.5亿摄氏度。
在这两种类型的聚变系统中，磁约束被认为是更成熟的技术，可能是第一种实现核聚变净能量增益的技术。然而，它也不是没有自己的挑战。为了达到自我维持聚变所需的温度，必须精确控制等离子体。这是一个技术难题，因为过热的等离子体难以控制。想要控制它，就像把水放在手掌里，然后把它塑造成某种东西。水要么从你的手上漏出来，要么立即失去形状，形成杂乱无章的水坑。将等离子体保持在你想要的位置，如何使用它，并防止它接触反应堆壁，是物理学家面临的最大挑战之一。
等离子体中的杂质和电流或磁场中的不稳定性也会对物体造成干扰，从而阻止聚变的发生。核聚变反应堆壁也有中子损伤的危险，聚变导致中子轰击反应堆壁，并导致金属变弱、变脆并最终腐烂。这有利于氚的“繁殖”，但对本来就很脆弱反应堆壁却不利。
正如我们在这篇文章的开头提到的，聚变力有潜力为我们提供几乎无限的能量。然而，好处并不止于其止。除了能源生产外，为反应堆提供动力所需的燃料量很小，这些燃料可以从海水中蒸馏获得。聚变反应堆产生的辐射也比我们生活在地球上所经历的自然背景辐射少。
世界上近70%的能源来自燃烧煤炭、石油和天然气。由于核聚变不涉及燃烧，所有的污染空气源和废物几乎会在一夜之间消失。尽管核聚变反应堆有一些核废料，但与典型裂变反应堆在其使用寿命内产生的废料量相比，微不足道。核聚变产生的高风险废物也不是高水平，也不是武器级材料。核聚变仅产生少量放射性废物，且只在大约50年内保持着危险的放射性，因此处置问题就不那么令人担忧。也没有导致放射性爆炸释放（如切尔诺贝利）的熔毁风险。这是因为聚变使用的燃料量很小，不可能发生失控反应， 燃料在进行其他操作之前会自行燃烧。
核聚变能力的另一个好处是，它可用于星际太空旅行。
据推测，冷聚变是一种核反应，可能会在室温附近发生。过去几十年来，有那么几个人声称实现了“冷聚变”，但到目前为止，还没有人能够用自己的设备在自己的实验室再现“冷聚变”。实现冷聚变的可能性很小的原因之一是库仑势垒。在恒星的核心和我们的实验聚变反应堆中，由于施加了巨大的热和压力，这个屏障很容易被克服。没有这些极端环境，持续的核聚变是不可能的。
为了摆脱该术语的负面烙印，那些继续研究该聚变领域的人更喜欢使用术语“低能核反应”（LENR）。 目前，冷聚变与永动机属于同一类科学。在欧洲核子研究中心工作的物理学家道格拉斯·R·O·莫里森，把冷聚变称为病理科学的一个例子。这个词是1953年诺贝尔化学奖得主欧文·兰缪尔创造的。他用病理科学这个词来形容一个研究领域，在这个领域的大多数科学家放弃它后很长一段时间内却没有“消失”，还有个别人在坚持研究。
国际热核聚变实验堆计划的美国点火计划在麻烦中前行
在地球上，核聚变最先是在氢弹中大量产生的。在氢弹中，引爆用的原子弹所产生的高温高压，使氢弹中的聚变燃料挤压在一起，由于物质的惯性，在飞散之前产生大量聚变（也叫惯性约束核聚变）。只不过，氢弹爆炸威力巨大，人类无法控制它。
上个世纪60年代，利用该原理，前苏联科学家提出并证明了激光可以使氘氚发生聚变。直到2009年，耗资35亿美元的美国国家点火装置（简称NIF）终于让科学家看到了激光核聚变实现的可能性，人类寄希望于能从该实验室中获得“取之不尽，用之不竭”的清洁核能。
这个世界上最大的激光聚变机器坐落在加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一个特大号“仓库”里。在装置内部，激光器会产生192条激光束，射向一个含氘氚的氢球形靶丸上使其崩溃，并产生一亿摄氏度左右的高温，从而触发氢原子聚变，释放大量能量。激光和氢靶丸的碰撞过程极其短暂，仅持续数几个纳秒（1纳秒等于10亿分之1秒）。为了达至临界点或者说点燃反应堆，激光器的设计能量为1.8兆焦耳。
早在去年，据《自然》杂志报道，被称为“人造太阳”的美国国家点火装置（NIF）所发射出的激光已经达到了2兆焦，也是激光向核聚变能源迈出的第一步。
近日，据BBC新闻网10月7日报道，在9月末进行的一次聚变实验中，聚变反应释放出的能量超过了氢燃料球吸收的能量——在全世界聚变装置中取得了里程碑突破。不过，记者尚未在劳伦斯利弗莫尔国家实验室官方网站上看到该消息。
事实上，NIF项目并非一帆风顺，NIF研究团队点火目标的推进曾一推再推。据《科学美国人》报道，去年美国国家科学院专家小组的一份中期报告显示，NIF激光触发核聚变的方法并不被十分看好。
王晓方告诉《中国科学报》记者，激光器的发射重复率还很低，无法持续聚变产能。“这是因为，目前激光器所使用的玻璃放大介质无法满足既在单位时间内能发射更多次数，又保证激光束的质量。”
目前，NIF的激光器每天只能发射几次。只有当每秒钟发生三四次甚至更多的核聚变且连续不断地进行下去，并且每次聚变的能量增益达到10～100倍，才能实现实用化。
“为了提高激光发射的重复率，科学家也在研发新型激光器，比如半导体激光泵浦，还有光纤激光器等。”但王晓方表示，这些激光器尚不能做成足够的规模，激光输出的能量还不足以来实现聚变点火。“目前，还没有找到提高激光发射重复率从而持续聚变产能的好办法。”
据了解，近日，NIF研究团队已经将激光对准了真正的燃料球，实验更进一步，但点火靶球却在极端的温度和压力下屡次过早破裂。不难看出，美国国家点火装置的麻烦始终与新进展同在。
核聚变是什么？
核聚变，即氢原子核（氘和氚）结合成较重的原子核（氦）时放出巨大的能量。 热核反应[1]，或原子核的聚变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的氢原子核，如氢（氕）、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应（参见核聚变）。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，即可实现受控热核反应。这正是目前在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。
编辑本段反应条件
核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下 太阳的能量来自它中心的热核聚变
（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。 目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变，但是现在看来还有很长的路要走。
编辑本段可控核聚变方式
目前主要的几种可控核聚变方式： 超声波核聚变 激光约束（惯性约束）核聚变 磁约束核聚变（托卡马克） 典型的聚变反应是 411H—→42He+20n+1e+2.67×107eV 21H+21H—→32He+10n+3.2×106eV 21H+21H—→31He+11H+4×106eV 31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV 后三个反应的净反应是 521H—→42He+32He+11H+210n+2.48×107eV
编辑本段核聚变的应用
1、可控核聚变的发生条件 产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。我们的太阳就是靠核聚变反应来给太 EAST全超导非圆截面核聚变实验装置
阳系带来光和热，其中心温度达到1500万摄氏度，另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应，而地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，不过这样一来温度要到上亿度才行。核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受，只能靠强大的磁场来约束。此外这么高的温度，核反应点火也成为问题。不过在2021年2月6日，美国利用高能激光实现核聚变点火所需条件。中国也有“神光2”将为我国的核聚变进行点火。 2、核聚变的反应装置 目前，可行性较大的可控核聚变反应装置就是托卡马克装置。 托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。 托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。 我国也有两座核聚变实验装置。 3、核聚变的优劣势 优势： （1）.核聚变释放的能量比核裂变更大 （2）.无高端核废料 （3）.可不对环境构成大的污染，而且反应过程容易控制，核事故风险 极低！ （4）.燃料供应充足，地球上重氢有10万亿吨（每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油） （5）.无法用作核武器材料 也就没有了政治干涉！ 劣势： 反应要求极高，技术要求极高 从理论上看，用核聚变制造武器和提供部分能源，是非常有益的。但目前人类还没有办法，对它们进行较好的利用。 （对于核裂变，由于原料铀的储量不多，政治干涉很大，放射性与危险性大，核裂变的优势无法完全利用。截至2006年，核能（核裂变能）发电占世界总电力约15%。说明了核裂变的应用的规模之大，更能说明优势比核裂变更大的核聚变能源前景更加光明。科学家们估计，到2025年以后，核聚变发电厂才有可能投入商业运营。2050年前后，受控核聚变发电将广泛造福人类。 ）
编辑本段核聚变与恒星发光原理
当四个氢原子在高温下靠得很近时，四个质子会撞到一起时，其中两个会发生衰变，释放出两个反中微子和正电子，变成中子。这两个正电子会与原子核外电子相互湮灭，形成两个光量子；剩下的一共有两个中子、质子和电子，恰好形成一个氦原子。绝大多是恒星都是通过质子的衰变而发出光芒，这在日常生活中也用途很大。
编辑本段另一定义
比原子弹威力更大的核武器—氢弹，就是利用核聚变来发挥作用的。 EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置
核聚变的过程与核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘（dao）、氚（chuan）等。核聚变也会放出巨大的能量，而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程，它的光和热就是由核聚变产生的。 核聚变能释放出巨大的能量，但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，这就是受控核聚变。 实现受控核聚变具有极其诱人的前景。不仅因为核聚变能放出巨大的能量，而且由于核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取。经过计算，1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于100升汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是“取之不尽”的，因此受控核聚变的研究成功将使人类摆脱能源危机的困扰。 但是人们现在还不能进行受控核聚变，这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行，因此又叫热核反应。可以想象，没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。尽管存在着许多困难，人们经过不断研究已取得了可喜的进展。科学家们设计了许多巧妙的方法，如用强大的磁场来约束反应，用强大的激光来加热原子等。可以预计，人们最终将掌握控制核聚变的方法，让核聚变为人类服务。 利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘（读"刀"，又叫重氢）和氚（读"川"，又叫超重氢）聚合成较重的原子核如氦而释出能量。 核聚变较之核裂变有两个重大优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍，可以说是取之不竭的能源。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。 第二个优点是既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是安全的。 国际热核聚变实验堆装置示意图
目前实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是"托卡马克"型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近于成功，但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。 另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。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，球面因吸收能量而向外蒸发，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，加上其他种种技术上的问题，使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。 尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要我们征服，但其美好前景的巨大诱惑力，正吸引着各国科学家在奋力攀登。
编辑本段原理
简单的回答：根据爱因斯坦质能方程E=mc2. 原子核发生聚变时，有一部分质量转化为能量释放出来。 只要微量的质量就可以转化成很大的能量。 两个轻的原子核相碰，可以形成一个原子核并释放出能量，这就是聚变反应，在这种反应中所释放的能量称聚变能。聚变能是核能利用的又一重要途径。 最重要的聚变反应有： 式中D是氘核（重氢）、T是氚核（超重氢）。以上两组反应总的效果是： 即每“烧’掉6个氘核共放出43．24MeV能量，相当于每个核子平均放出3．6MeV。它比n＋裂变反应中每个核子平均放出200／236＝0．85MeV高4倍。因此聚变能是比裂变能更为巨大的一种核能。 核聚变能利用的燃料是氘（D）和氚。氘在海水中大量存在。海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子，海水中氘的总量约40万亿吨。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。按目前世界消耗的能量计算，海水中氘的聚变能可用几百亿年。氚可以有锂制造。锂主要有锂-6和锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后，可以变成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多，也有两千多亿吨。用它来制造氚，足够用到人类使用氘、氘聚变的年代。因此，核聚变能是一种取之不尽用之不竭的新能源。 在可以预见的地球上人类生存的时间内，水的氘，足以满足人类未来几十亿年对能源的需要。从这个意义上说，地球上的聚变燃料，对于满足未来的需要说来，是无限丰富的，聚变能源的开发，将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。六十多年来科学家们不懈的努力，已在这方面为人类展现出美好的前景。 典型的聚变反应是 411H—→42He+20-1e+2.67×107eV 21H+21H—→32He+10n+3.2×106eV 21H+21H—→31H+11H+4×106eV 31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV 后三个反应的净反应是 521H—→42He+32He+11H+210n+2.48×107eV 即每5个21H聚变后放出2.48×107eV能量。 氘是相当丰富的氢同位素，在海洋中每6500个氢原子就有1个氘原子，这意味着海洋是极大量氘的潜在来源。仅在1L海水中就有1.03×1022个氘原子，就是说每1Km3海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧13600亿桶原油的能量，这个数字约为地球上蕴藏的石油总储量。 要使原子核之间发生聚变，必须使它们接近到飞米级。要达到这个距离，就要使核具有很大的动能，以克服电荷间极大的斥力。要使核具有足够的动能，必须把它们加热到很高的温度（几百万摄氏度以上）。因此，核聚变反应又叫热核反应。原子弹爆炸产生的高温可引起热核反应，氢弹就是这样爆炸的。 受控核聚变是等离子态的原子核在高温下有控制地发生大量原子核聚变的反应，同时释放出能量。氘是最重要的聚变燃料，海洋是氘的潜在来源，一旦能实现以氘为基本燃料的受控核聚变，人们就几乎拥有了取之不尽、用之不竭的能源。氢弹爆炸释放出来的大量聚变能、原子弹爆炸释放出来的大量裂变能，都是不可控制的。在第一颗原子弹爆炸后仅十多年，人们就找到控制裂变反应的办法，并建成了裂变电站。原以为氢弹炸爆后能建成聚变电站，但并不如此简单，即使在地球条件下能发生的聚变反应： 31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV 也只能在极高的温度（＞4000℃）和足够大的碰撞几率条件下，才能大量发生。因此实际可作为能源使用的受控热核聚变反应，必须在产生并加热等离子体到亿万摄氏度高温的同时，还要有效约束这一高温等离子体。这就是近几十年内研究的难题和期望攻克的目标。中国的中科院物理所、中科院等离子物理所、西南物理研究院在实验工程和理论研究各方面都做了许多的工作，也取得了许多重要的进展。
核聚变的过程是什么？
什么是核聚变？
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