核聚變，即輕原子核（氘和氚）結(jié)合成較重的原子核（氦）時(shí)放出巨大能量。

熱核反應(yīng)[1]，或原子核的聚變反應(yīng)，是當(dāng)前很有前途的新能源。參與核反應(yīng)的輕原子核，如氫（氕）、氘、氚、鋰等從熱運(yùn)動(dòng)獲得必要的動(dòng)能而引起的聚變反應(yīng)（參見核聚變）。熱核反應(yīng)是氫彈爆炸的基礎(chǔ)，可在瞬間產(chǎn)生大量熱能，但目前尚無法加以利用。如能使熱核反應(yīng)在一定約束區(qū)域內(nèi)，根據(jù)人們的意圖有控制地產(chǎn)生與進(jìn)行，即可實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)。這正是目前在進(jìn)行試驗(yàn)研究的重大課題。受控?zé)岷朔磻?yīng)是聚變反應(yīng)堆的基礎(chǔ)。聚變反應(yīng)堆一旦成功，則可能向人類提供最清潔而又是取之不盡的能源。

[編輯本段]定義

核聚變是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變，如原子彈爆炸；如果是由輕的原子核變化為重的原子核，叫核聚變，如太陽發(fā)光發(fā)熱的能量來源。

相比核裂變，核聚變幾乎不會(huì)帶來放射性污染等環(huán)境問題，而且其原料可直接取自海水中的氘，來源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。

目前人類已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規(guī)模，實(shí)現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出?？茖W(xué)家正努力研究如何控制核聚變，但是現(xiàn)在看來還有很長(zhǎng)的路要走。

目前主要的幾種可控核聚變方式：

超聲波核聚變

激光約束（慣性約束）核聚變

磁約束核聚變（托卡馬克）

[編輯本段]補(bǔ)充內(nèi)容

每克氘聚變時(shí)所釋放的能量為5.8x108kj，大于每克鈾235裂變時(shí)所釋放的能量（8.2x107kj）。從能源的角度考慮，核聚變有幾個(gè)方面比核裂變優(yōu)越：其一，聚變產(chǎn)物是穩(wěn)定的氦核，沒有放射性污染產(chǎn)生，沒有難于處理的廢料；其二，聚變?cè)想馁Y源比較豐富，在海水中氘和氫之比為1.5x10－4∶1，地球上海水總量約為1018噸，其中蘊(yùn)藏著大量的氘，提煉氘比提煉鈾容易得多。遺憾的是這個(gè)聚變反應(yīng)需要非常高的溫度，以克服兩個(gè)帶正電的氘核之間的巨大排斥力（從理論計(jì)算，要克服這種庫侖斥力需要109c的高溫）。氫彈的制造原理，就是利用一個(gè)小的原子彈作為引爆裝置，產(chǎn)生瞬間高溫引發(fā)上述聚變反應(yīng)發(fā)生強(qiáng)烈爆炸。氫元素的幾種同位素之間能發(fā)生多種聚變反應(yīng)，這種變化過程存在于宇宙之間，太陽輻射出來的巨大能量就來源于這類核聚變。但我們目前尚沒有辦法在地球上利用這類核聚變發(fā)電，怎樣能取得這樣高的溫度？用什么材料制造反應(yīng)器？怎樣控制聚變過程等各種問題尚無答案。

補(bǔ)充：中國(guó)核聚變裝置的最新消息：

新華網(wǎng)合肥9月29日電（記者喻菲蔡敏程士華）世界領(lǐng)先的中國(guó)新一代熱核聚變裝置east28日首次成功完成了放電實(shí)驗(yàn)，獲得電流200千安、時(shí)間接近3秒的高溫等離子體放電。

負(fù)責(zé)這一項(xiàng)目的中國(guó)科學(xué)院等離子體所所長(zhǎng)李建剛研究員在接受新華社記者采訪時(shí)說，此次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了裝置內(nèi)部1億度高溫，等離子體建立、圓截面放電等各階段的物理實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果。

工藝鑒定組專家、中科院基礎(chǔ)科學(xué)研究局金鐸研究員在實(shí)驗(yàn)后的新聞發(fā)布會(huì)上宣布，east通過國(guó)家“九五”大科學(xué)工程工藝鑒定。參與east研究合作的美國(guó)通用原子能公司蓋瑞·杰克遜博士說：“east成為世界上第一個(gè)建成并真正運(yùn)行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，它將在未來10年內(nèi)保持世界先進(jìn)水平。”

據(jù)了解，east裝置是中國(guó)耗時(shí)8年、耗資2億元人民幣自主設(shè)計(jì)、自主建造而成的。

記者在實(shí)驗(yàn)控制室看到，這個(gè)近似圓柱形的大型物體由特種無磁不銹鋼建成，高約12米、直徑約5米，據(jù)介紹其總重量達(dá)400噸。

李建剛研究員說，與國(guó)際同類實(shí)驗(yàn)裝置相比，east是使用資金最少、建設(shè)速度最快、投入運(yùn)行最早、運(yùn)行后獲得等離子放電最快的先進(jìn)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

“這意味著人類在核聚能研究利用領(lǐng)域取得重大進(jìn)步，也標(biāo)志著中國(guó)在這一領(lǐng)域進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平”，李建剛說。

人們認(rèn)識(shí)熱核聚變是從氫彈爆炸開始的。氫彈爆炸時(shí)釋放出極大的能量，給人類帶來的是災(zāi)難。而科學(xué)家們卻希望發(fā)明一種裝置，可以有效地控制“氫彈爆炸”的過程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定的輸出，以解決人類面臨的能源短缺危機(jī)。

美、法等國(guó)在20世紀(jì)80年代中期發(fā)起了耗資46億歐元的國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（iter）計(jì)劃，旨在建立世界上第一個(gè)受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，為人類輸送巨大的清潔能量。這一過程與太陽產(chǎn)生能量的過程類似，因此受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)裝置也被俗稱為“人造太陽”。

中國(guó)于2003年加入iter計(jì)劃。位于安徽合肥的中科院等離子體所是這個(gè)國(guó)際科技合作計(jì)劃的國(guó)內(nèi)主要承擔(dān)單位，其研究建設(shè)的east裝置穩(wěn)定放電能力為創(chuàng)記錄的1000秒，超過世界上所有正在建設(shè)的同類裝置。

east大科學(xué)工程總經(jīng)理萬元熙教授說，與iter相比，east在規(guī)模上小很多，但兩者都是全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克，即兩者的等離子體位形及主要的工程技術(shù)基礎(chǔ)是相似的，而east至少比iter早投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行10至15年。因此，無論從人才培養(yǎng)和奠定工程技術(shù)及物理基礎(chǔ)的角度上說，east都將為iter計(jì)劃做出重要的、實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)，并進(jìn)而為人類開發(fā)和最終使用核聚變能做出重要貢獻(xiàn)。

不過，萬元熙研究員說，雖然“人造太陽”的奇觀在實(shí)驗(yàn)室中初現(xiàn)，但離真正的商業(yè)運(yùn)行還有相當(dāng)長(zhǎng)的距離，它所發(fā)出的電能在短時(shí)間內(nèi)還不可能進(jìn)入人們的家中。但他預(yù)測(cè)，根據(jù)目前世界各國(guó)的研究狀況，這一夢(mèng)想最快有可能在30－50年后實(shí)現(xiàn)。

萬元熙說，未來的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的熱核聚堆用于商業(yè)運(yùn)行后，所產(chǎn)生的能量夠人類用數(shù)億年乃至數(shù)十億年。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后的主要能源，人類將從“石油文明”走向“核能文明”。

[編輯本段]原理

簡(jiǎn)單的回答：根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程e=mc2.

原子核發(fā)生聚變時(shí)，有一部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量釋放出來。

只要微量的質(zhì)量就可以轉(zhuǎn)化成很大的能量。

兩個(gè)輕的原子核相碰，可以形成一個(gè)原子核并釋放出能量，這就是聚變反應(yīng)，在這種反應(yīng)中所釋放的能量稱聚變能。聚變能是核能利用的又一重要途徑。

最重要的聚變反應(yīng)有：

式中d是氘核（重氫）、t是氚核（超重氫）。以上兩組反應(yīng)總的效果是：

即每“燒’掉6個(gè)氘核共放出43.24mev能量，相當(dāng)于每個(gè)核子平均放出3.6mev。它比n＋裂變反應(yīng)中每個(gè)核子平均放出200／236＝0.85mev高4倍。因此聚變能是比裂變能更為巨大的一種核能。

核聚變能利用的燃料是氘（d）和氚。氘在海水中大量存在。海水中大約每600個(gè)氫原子中就有一個(gè)氘原子，海水中氘的總量約40萬億噸。每升海水中所含的氘完全聚變所釋放的聚變能相當(dāng)于300升汽油燃料的能量。按目前世界消耗的能量計(jì)算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。氚可以由鋰制造。鋰主要有鋰－6和鋰－7兩種同位素。鋰－6吸收一個(gè)熱中子后，可以變成氚并放出能量。鋰－7要吸收快中子才能變成氚。地球上鋰的儲(chǔ)量雖比氘少得多，也有兩千多億噸。用它來制造氚，足夠用到人類使用氘、氘聚變的年代。因此，核聚變能是一種取之不盡用之不竭的新能源。

在可以預(yù)見的地球上人類生存的時(shí)間內(nèi)，水的氘，足以滿足人類未來幾十億年對(duì)能源的需要。從這個(gè)意義上說，地球上的聚變?nèi)剂希瑢?duì)于滿足未來的需要說來，是無限豐富的，聚變能源的開發(fā)，將“一勞永逸”地解決人類的能源需要。六十多年來科學(xué)家們不懈的努力，已在這方面為人類展現(xiàn)出美好的前景。

典型的聚變反應(yīng)是

411h—→42he20－1e2.67x107ev

21h21h—→32he10n3.2x106ev

21h21h—→31h11h4x106ev

31h21h—→42he10n1.76x107ev

后三個(gè)反應(yīng)的凈反應(yīng)是

521h—→42he32he11h210n2.48x107ev

即每5個(gè)21h聚變后放出2.48x107ev能量。

氘是相當(dāng)豐富的氫同位素，在海洋中每6500個(gè)氫原子就有1個(gè)氘原子，這意味著海洋是極大量氘的潛在來源。僅在1l海水中就有1.03x1022個(gè)氘原子，就是說每1km3海水中氘原子所具有的潛在能量相當(dāng)于燃燒13600億桶原油的能量，這個(gè)數(shù)字約為地球上蘊(yùn)藏的石油總儲(chǔ)量。

要使原子核之間發(fā)生聚變，必須使它們接近到飛米級(jí)。要達(dá)到這個(gè)距離，就要使核具有很大的動(dòng)能，以克服電荷間極大的斥力。要使核具有足夠的動(dòng)能，必須把它們加熱到很高的溫度（幾百萬攝氏度以上）。因此，核聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)。原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫可引起熱核反應(yīng)，氫彈就是這樣爆炸的。

受控核聚變是等離子態(tài)的原子核在高溫下有控制地發(fā)生大量原子核聚變的反應(yīng)，同時(shí)釋放出能量。氘是最重要的聚變?nèi)剂?，海洋是氘的潛在來源，一旦能?shí)現(xiàn)以氘為基本燃料的受控核聚變，人們就幾乎擁有了取之不盡、用之不竭的能源。氫彈爆炸釋放出來的大量聚變能、原子彈爆炸釋放出來的大量裂變能，都是不可控制的。在第一顆原子彈爆炸后僅十多年，人們就找到控制裂變反應(yīng)的辦法，并建成了裂變電站。原以為氫彈炸爆后能建成聚變電站，但并不如此簡(jiǎn)單，即使在地球條件下能發(fā)生的聚變反應(yīng)：

31h21h—→42he10n1.76x107ev

也只能在極高的溫度（＞5000c）和足夠大的碰撞幾率條件下，才能大量發(fā)生。因此實(shí)際可作為能源使用的受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)，必須在產(chǎn)生并加熱等離子體到億萬攝氏度高溫的同時(shí)，還要有效約束這一高溫等離子體。這就是近幾十年內(nèi)研究的難題和期望攻克的目標(biāo)。中國(guó)的中科院物理所、中科院等離子物理所、西南物理研究院在實(shí)驗(yàn)工程和理論研究各方面都做了許多的工作，也取得了許多重要的進(jìn)展。

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