核聚變:核反應形式-中文百科頻道

起源

核聚變程序于1932年由澳洲科學家馬克·歐力峰（英語：MarkOliphant）所發現。随後于1950年代早期，他在澳洲國立大學（ANU）成立了等離子體核聚變研究機構（FusionPlasmaResearch）。

原理

核聚變，即輕原子核（例如氘和氚）結合成較重原子核（例如氦）時放出巨大能量。因為化學是在分子、原子層次上研究物質性質，組成，結構與變化規律的科學，而核聚變是發生在原子核層面上的，所以核聚變不屬于化學變化。

熱核反應，或原子核的聚變反應，是當前很有前途的新能源。參與核反應的輕原子核，如氫（氕）、氘、氚、锂等從熱運動獲得必要的動能而引起的聚變反應（參見核聚變）。熱核反應是氫彈爆炸的基礎，可在瞬間産生大量熱能，但尚無法加以利用。如能使熱核反應在一定約束區域内，根據人們的意圖有控制地産生與進行，即可實現受控熱核反應。這正是在進行試驗研究的重大課題。受控熱核反應是聚變反應堆的基礎。聚變反應堆一旦成功，則可能向人類提供最清潔而又是取之不盡的能源。

冷核聚變是指：在相對低溫（甚至常溫）下進行的核聚變反應，這種情況是針對自然界已知存在的熱核聚變（恒星内部熱核反應）而提出的一種概念性‘假設’，這種設想将極大的降低反應要求，隻要能夠在較低溫度下讓核外電子擺脫原子核的束縛，或者在較高溫度下用高強度、高密度磁場阻擋中子或者讓中子定向輸出，就可以使用更普通更簡單的設備産生可控冷核聚變反應，同時也使聚核反應更安全。

類型

電解水H2O生成H2，通過核裂變産生的高能輻射蒸汽壓縮氫氣（H2），這時的氫氣成為離子狀态，輻射蒸汽壓縮H，兩個H核核聚變生成一個He核，放出巨大的能量。一般在超高溫和超高壓封閉環境下進行。

一個D（氘）和T（氚）發生聚變反應會産生一個中子，并且釋放17.6MeV的能量（兩個D（氘）發生聚變反應大約放出14.1MeV能量），中子對于人體和生物都非常危險。其核反應方程式為

聚變反應中子的麻煩之處在于中子可以跟反應裝置的牆壁發生核反應。用一段時間之後就必須更換，很費錢。而且換下來的牆壁可能有放射性（取決于牆壁材料的選擇），成了核廢料。還有一個不好的因素是氚具有放射性，而且氚也可能跟牆壁反應。

氘氚聚變隻能算”第一代”聚變，優點是燃料便宜，缺點是有中子。

“第二代”聚變是氘和氦3反應。這個反應本身不産生中子，但其中既然有氘，氘氘反應也會産生中子，可是總量非常非常少。如果第一代電站必須遠離鬧市區，第二代估計可以直接放在市中心。

“第三代”聚變是讓氦3跟氦3反應。這種聚變完全不會産生中子。這個反應堪稱終極聚變。

反應條件

核聚變是指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，并伴随着巨大的能量釋放的一種核反應形式。原子核中蘊藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴随着能量的釋放。

實現方式

通常有三種方式來産生核聚變：

1.重力場約束；2.慣性約束；3.磁約束。

其中主要的可控核聚變方式：

激光約束（慣性約束）核聚變（如我國的神光計劃，美國的國家點火計劃都是這種形式）

磁約束核聚變（托卡馬克、仿星器、磁鏡、反向場、球形環等），這種方式被認為是最有前途的。

應用

發生條件

産生可控核聚變需要的條件非常苛刻。我們的太陽就是靠核聚變反應來給太陽系帶來光和熱，其中心溫度達到1500萬攝氏度，另外還有巨大的壓力能使核聚變正常反應，而地球上沒辦法獲得巨大的壓力，隻能通過提高溫度來彌補，不過這樣一來溫度要到上億度才行。核聚變如此高的溫度沒有一種固體物質能夠承受，隻能靠強大的磁場來約束。由此産生了磁約束核聚變。

對于慣性核聚變，核反應點火也成為問題。不過在2010年2月6日，美國利用高能激光實現核聚變點火所需條件。中國也有“神光2”将為我國的核聚變進行點火。

反應裝置

可行性較大的可控核聚變反應裝置是托卡馬克裝置。

托卡馬克是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環性容器。它的名字Tokamak來源于環形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)。最初是由位于蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發明的。

托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞着線圈。在通電的時候托卡馬克的内部會産生巨大的螺旋型磁場，将其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。

我國也有兩座核聚變實驗裝置。

優劣勢

優勢

（1）核聚變釋放的能量比核裂變更大

（2）無高端核廢料，可不對環境構成大的污染

（3）燃料供應充足，地球上重氫有10萬億噸（每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚變産生的能量相當于300升汽油）

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6500個氫原子中就有一個氘原子，海水中氘的總量約45萬億噸。每升海水中所含的氘完全聚變所釋放的聚變能相當于300升汽油燃料的能量。按世界消耗的能量計算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。氚可以由锂制造。锂主要有锂-6和锂-7兩種同位素。锂-6吸收一個熱中子後，可以變成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能變成氚。地球上锂的儲量雖比氘少得多，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。

在可以預見的地球上人類生存的時間内，水的氘，足以滿足人類未來幾十億年對能源的需要。從這個意義上說，地球上的聚變燃料，對于滿足未來的需要說來，是無限豐富的，聚變能源的開發，将“一勞永逸”地解決人類的能源需要。六十多年來科學家們不懈的努力，已在這方面為人類展現出美好的前景。

氘是相當豐富的氫同位素，在海洋中每6500個氫原子就有1個氘原子，這意味着海洋是極大量氘的潛在來源。僅在1L海水中就有1.03×10^22個氘原子，就是說每1Km3海水中氘原子所具有的潛在能量相當于燃燒13600億桶原油的能量，這個數字約為地球上蘊藏的石油總儲量。經過計算，1升海水中提取出的氘進行核聚變放出的能量相當于300升汽油燃燒釋放的能量。

劣勢

反應要求與技術要求極高。

從理論上看，用核聚變提供部分能源，是非常有益的。但人類還沒有辦法，對它們進行較好的利用。

（對于核裂變，由于原料鈾的儲量不多，政治幹涉很大，放射性與危險性大，核裂變的優勢無法完全利用。截至2006年，核能（核裂變能）發電占世界總電力約15%。說明了核裂變的應用的規模之大，更能說明優勢比核裂變更大的核聚變能源前景更加光明。科學家們估計，到2025年以後，核聚變發電廠才有可能投入商業運營。2050年前後，受控核聚變發電将廣泛造福人類。）

控制方法

主要的幾種可控核聚變方式：

太陽——引力約束聚變地球上的萬物靠着太陽源源不斷的能量維持自身的發展。在太陽的中心，溫度高達1500萬攝氏度，氣壓達到3000多億個大氣壓，在這樣的高溫高壓條件下，氫原子核聚變成氦原子核，并放出大量能量。幾十億年來，太陽猶如一個巨大的核聚變反應裝置，無休止地向外輻射着能量。太陽擁有極大質量，産生一個很強的引力場，把高溫等離子體約束。

氫彈——慣性約束聚變氫彈是一種人工實現的、不可控制的熱核反應，也是至今為止在地球上用人工方法大規模獲取聚變能的唯一方法，但是它必須用裂變方式來點火，因此它實質上是裂變加聚變的混合體，總能量中裂變能和聚變能大體相等。氫彈，從本質上講，是利用慣性力将高溫等離子體進行動力性約束，簡稱慣性約束。慣性約束還有激光慣性約束，其中一個方案：在一個直徑約為400μm的小球内充以30-100大氣壓的氘-氚混合氣體，讓強勁率激光（達到10

W，争取10

W）均勻地從四面八方照射小球，使球内氘氚混合體的密度達到液體密度的一千到一萬倍，溫度達到10

K而引起聚變反應。除激光慣性約束外，還有電子束等方案，但至今還沒有一個成功。

可控聚變的希望——磁約束帶電粒子（等離子體）在磁場中受洛倫茲力的作用而繞着磁力線運動，因而在與磁力線垂直的方向上就被約束住了。同時，等離子體也被電磁場加熱。由于技術水平還不可能使磁場強度超過10T，因而磁約束的高溫等離子體必須非常稀薄。如果說慣性約束是企圖靠增大粒子密度n來達到點火條件，那麼磁約束則是靠增大約束時間T。磁約束裝置有很多種，其中最有希望的可能是環流器（環形電流器），又稱托卡馬克（Tokamak）。可行性較大的可控核聚變反應裝置就是托卡馬克裝置。托卡馬克是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環性容器。它的名字Tokamak來源于環形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)。最初是由位于蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發明的。托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞着線圈。在通電的時候托卡馬克的内部會産生巨大的螺旋型磁場，将其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。我國也有兩座核聚變實驗裝置。

研究進展

中國新一代熱核聚變裝置EAST2010年9月28日首次成功完成了放電實驗，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電。

負責這一項目的中國科學院等離子體所所長李建剛研究員說，此次實驗實現了裝置内部1億度高溫，等離子體建立、圓截面放電等各階段的物理實驗，達到了預期效果。

EAST裝置是中國耗時8年、耗資2億元人民币自主設計、自主建造而成的。

美、法等國在20世紀80年代中期發起了耗資46億歐元的國際熱核實驗反應堆（ITER）計劃，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆，為人類輸送巨大的清潔能量。這一過程與太陽産生能量的過程類似，因此受控熱核聚變實驗裝置也被俗稱為“人造太陽”。

中國于2003年加入ITER計劃。位于安徽合肥的中科院等離子體所是這個國際科技合作計劃的國内主要承擔單位，其研究建設的EAST裝置穩定放電能力為創記錄的1000秒，超過世界上所有正在建設的同類裝置。

EAST大科學工程總經理萬元熙教授說，與ITER相比，EAST在規模上小很多，但兩者都是全超導非圓截面托卡馬克，即兩者的等離子體位形及主要的工程技術基礎是相似的，而EAST至少比ITER早投入實驗運行10至15年。

據科技日報2014年10月17日消息，美國老牌軍工巨頭洛克希德馬丁公司近日宣布，其已在開發一種基于核聚變技術的能源方面取得技術突破，第一個小至可安裝在卡車後端的小型反應堆有望在十年内誕生。

從長遠來看，核能将是繼石油、煤和天然氣之後的主要能源，人類将從“石油文明”走向“核能文明”。

核聚變與核裂變區别

概念不同

1、核裂變

核裂變，又稱核分裂，是指由重的原子核（主要是指鈾核或钚核）分裂成兩個或多個質量較小的原子的一種核反應形式。

原子彈或核能發電廠的能量來源就是核裂變。其中鈾裂變在核電廠最常見，熱中子轟擊鈾-235原子後會放出2到4個中子，中子再去撞擊其它鈾-235原子，從而形成鍊式反應。

2、核聚變

核聚變（nuclear fusion），又稱核融合、融合反應、聚變反應或熱核反應。核是指由質量小的原子，主要是指氘，在一定條件下（如超高溫和高壓），隻有在極高的溫度和壓力下才能讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發生原子核互相聚合作用。

生成新的質量更重的原子核（如氦），中子雖然質量比較大，但是由于中子不帶電，因此也能夠在這個碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來，大量電子和中子的釋放所表現出來的就是巨大的能量釋放。

原理不同

1、核裂變

裂變釋放能量是與原子核中質量－能量的儲存方式有關。從最重的元素一直到鐵，能量儲存效率基本上是連續變化的，所以，重核能夠分裂為較輕核(到鐵為止)的任何過程在能量關系上都是有利的。如果較重元素的核能夠分裂并形成較輕的核，就會有能量釋放出來。

然而，很多這類重元素的核一旦在恒星内部形成，即使在形成時要求輸入能量(取自超新星爆發)，它們卻是很穩定的。不穩定的重核，比如鈾-235的核，可以自發裂變。

快速運動的中子撞擊不穩定核時，也能觸發裂變。由于裂變本身釋放分裂的核内中子，所以如果将足夠數量的放射性物質(如鈾-235)堆在一起，那麼一個核的自發裂變将觸發近旁兩個或更多核的裂變，其中每一個至少又觸發另外兩個核的裂變，依此類推而發生所謂的鍊式反應。

這就是稱之為原子彈(實際上是核彈)和用于發電的核反應堆(通過受控的緩慢方式)的能量釋放過程。

2、核聚變

起源不同

1、核裂變

莉澤·邁特納（Lise Meitner）和奧托·哈恩（Otto Hahn）同為德國柏林威廉皇帝研究所（Kaiser Wilhelm Institute）的研究員。

作為放射性元素研究的一部分，邁特納和哈恩曾經奮鬥多年創造比鈾重的原子（超鈾原子）。用遊離質子轟擊鈾原子，一些質子會撞擊到鈾原子核，并粘在上面，從而産生比鈾重的元素。這一點看起來顯而易見，卻一直沒能成功。

他們用其他重金屬測試了自己的方法，每次的反應都不出所料，一切都按莉澤的物理方程式所描述的發生了。可是一到鈾，這種人們所知的最重的元素，就行不通了。整個20世紀30年代，沒人能解釋為什麼用鈾做的實驗總是失敗。

從物理學上講，比鈾重的原子不可能存在是沒有道理的。但是，100多次的試驗，沒有一次成功。顯然，實驗過程中發生了他們沒有意識到的事情。他們需要新的實驗來說明遊離的質子轟擊鈾原子核時究竟發生了什麼。

最後，奧多想到了一個辦法：用非放射性的鋇作标記，不斷地探測和測量放射性的鐳的存在。如果鈾衰變為鐳，鋇就會探測到。

2、核聚變

核聚變程序于1932年由澳洲科學家馬克·歐力峰（Mark Oliphant）所發現。随後于1950年代早期，他在澳洲國立大學（ANU）成立了等離子體核聚變研究機構（FusionPlasmaResearch）。

核武器

核武器是指利用能自持進行核裂變或聚變反應釋放的能量，産生爆炸作用，并具有大規模殺傷破壞效應的武器的總稱。其中主要利用鈾235（或钚239等重原子核的裂變鍊式反應原理制成的裂變武器，通常稱為原子彈；主要利用重氫（dao H，氘）或超重氫（chuan H，氚）等輕原子核的熱核反應原理制成的熱核武器或聚變武器，稱為氫彈。

原子彈（Atomic bomb）是核武器之一，是利用核反應的光熱輻射、沖擊波和感生放射性造成殺傷和破壞作用，以及造成大面積放射性污染，阻止對方軍事行動以達到戰略目的的大殺傷力武器。主要包括裂變武器（第一代核武，通常稱為原子彈）和聚變武器（亦稱為氫彈，分為兩級及三級式）。亦有些還在武器内部放入具有感生放射的氫元素，以增大輻射強度擴大污染，或加強中子放射以殺傷人員。

怎麼儲存原子彈

一般來說，原子彈的儲存首先要絕對防止發生臨界反應，要進行物理保護，使分開的鈾燃料沒有聚集的可能，這就要拆除引爆裝置；其次要絕對防止水的侵入（如雨水、河水、海水、地下水、自來水等），因為核燃料遇水浸泡後，水充當慢化劑，有可能誘發核反應；第三是溫濕度控制和防止人為破壞；第四要有健全的監控系統、自動報警系統等。n 但沒有必要特别防護輻射，因為自然狀态的核燃料輻射極小，對人體無害。

運輸核彈可用載重汽車、專列火車、飛機等交通工具，除了類似上述儲存的要求外，還要保證運輸中核彈固定牢固、裝核彈的容器（一般是堅固的特質剛制作）能經住10米高跌摔，路面要平整，還要沿路警戒，跟車警衛等。

一般是彈體和核彈頭分開運輸，到基地洞庫裡後再組裝起來。在中國，核武器的運輸和儲存都頒布有專門的國家标準給以嚴格而細緻地要求。 n