什么是核聚变？

原理

核聚变是将两个轻原子核合并为一个更重的原子核，同时释放巨大能量的过程。这些反应驱动着太阳，以及宇宙中所有其他恒星。

反应条件

核聚变反应发生在一种特定状态中，称为等离子体。太阳核心主要由氢原子组成，温度约为1500万°C，压力是地球海平面大气压的3400亿倍。这些条件使等离子体得以形成：物质的第四种状态，一种由带正电粒子和带负电粒子（电子）组成的热电离气体，其密度约为我们呼吸的空气的百万分之一。

在极端高温下，太阳核心的氢粒子剧烈振动，达到高度激发状态和高速度，从而相互碰撞。由于这些极端条件，这些粒子获得足够的能量相互接近，克服电斥力（库仑势垒），最终发生聚变。为提高碰撞成功率，该过程必须在狭小密闭的空间内进行——这由恒星的引力提供。

为了说明这一过程，我们将以氘和氚的聚变为例，二者均为氢的同位素。

氘与氚的反应释放出一个氦原子和一个中子。这是因为氘由1个中子组成，氚由2个中子组成，二者结合会形成含有2个质子和3个中子的新原子核。然而，这种2:3的比例是不稳定的。因此，"多余"的中子被释放出来，形成稳定的氦-4原子（2个质子和2个中子）。

能量从哪里来？

正如拉瓦锡所说："在自然界中，没有什么被创造，没有什么被消灭，一切都在转化"——聚变亦是如此。在聚变反应中，生成的较重原子核的质量略小于原来两个较轻原子核的质量之和。这一质量差称为质量亏损。

Δm = 质量亏损；Z = 质子数；m_p = 质子质量；N = 中子数；m_n = 中子质量；M_nuc = 形成的原子核质量。各粒子质量之和与原子核实际质量之差，对应于反应中释放的能量。

这部分"消失"的质量转化为能量，遵循爱因斯坦公式 E = mc²。

ΔE = 释放的能量变化量；Δm = 质量亏损；c = 真空中的光速（≈ 3 × 10⁸ m/s）。由于 c² 的数值极大，极小的质量损失可转化为巨大的能量。

由于 c 是一个极大的数值（约 3 × 10⁸ m/s），极小的质量可转化为大量能量。释放的能量称为结合能——形成（或打破）新原子核时，从其亚原子粒子（质子和中子）中释放的能量。

D-T 反应中的质量亏损

反应物质量：氘（²₁H = 2.014 101 u）和氚（³₁H = 3.016 049 u），合计 5.030 150 u。产物质量：氦-4（⁴₂He = 4.002 602 u）和中子（¹₀n = 1.008 664 u），合计 5.011 266 u。质量亏损 Δm = 0.018 884 u 通过 E = mc² 转化为 17.6 MeV 的能量。

一次氘原子与氚原子之间的反应可产生 17.6 MeV——要了解这个数字的含义，请参阅下方"核聚变究竟能产生多少能量？"部分。

核聚变反应中释放的结合能以动能形式表现出来。在 D-T 反应中，17.6 MeV 分配如下：3.5 MeV 给予阿尔法粒子（氦原子），14.1 MeV 给予中子。

氘氚（D-T）反应

D-T 反应并非随意选择。目前，氘与氚之间的聚变是研究最广泛的反应。在所有可能的聚变反应中，它具有最大的截面——即发生反应的概率最高——同时具有最大的 Q 值，代表每次反应释放的能量最多。

与太阳不同，太阳的引力自然提供了聚变所需的条件，而地球的引力常数约为 9.8 m/s²，约为太阳（~274 m/s²）的 28 分之一。为了弥补这一差距，在地球上我们需要用极高的温度来提供聚变条件。

D-T 燃料在远低于其他元素的温度下达到聚变条件，同时释放比其他聚变反应更多的能量。氘氚反应所需的最低温度约为 1 亿摄氏度，而其他反应所需的最低温度为 3 亿摄氏度。

此外，氘和氚都是氢的同位素，而氢是地球上最丰富的元素。氘非常常见，可以在海水中找到：每 6,500 个氢原子中就有 1 个是氘。另一方面，氚是一种在自然界中很少见的放射性同位素，半衰期仅为 12.32 年。然而，氚可以通过称为增殖（breeding）的过程生产，即将锂与中子聚变。因此，聚变电站有可能实现自给自足——这对该过程的经济可行性极为重要。

核聚变究竟能产生多少能量？

核聚变因其产生清洁、取之不尽能源的巨大潜力而被广泛研究。全球能源需求持续增长。目前，世界能源结构的主要来源极具污染性，向大气层排放 CO₂，对环境造成潜在的不可逆损害——更多信息请参阅环境部分。

除了是可再生和无污染的能源外，核聚变具有惊人的能量增益：

那么，在地球上产生聚变涉及哪些研究？