核聚變反應

核聚變反應主要藉助氫同位素。核聚變不會產生核裂變所出現的長期和高水平的核輻射，不產生核廢料，當然也不產生溫室氣體，基本不污染環境。

主要原理

在標準的地面溫度下，物質的原子核彼此靠近的程度只能達到原子的電子殼層所允許的程度。因此，原子相互作用中只是電子殼層相互影響。帶有同性正電荷的原子核間的斥力阻止它們彼此接近，結果原子核沒能發生碰撞而不發生核反應。要使參加聚變反應的原子核必須具有足夠的動能，才能克服這一斥力而彼此靠近。提高反應物質的溫度，就可增大原子核動能。

核聚變微觀示意圖

反應條件

聚變反應需要高溫，一個聚變反應釋放出的能量很少，也是放出一些中子，這種小規模的核聚變反應還是可以藉助人為的方法避開高溫獲得的，但如果要是大量的，就必須熱核反應，使聚變反應變成一個自持的反應，就是自己維持自己的反應，就像燒火一樣，煤要燒起來的話，一部分燃燒了，這部分燃燒產生的能量又影響到另外一部分溫度提高了，另一部分又燃燒了，能量越多，煤燃起來的就越來越旺。

即將發生核聚變的反應室

聚變也是同樣的性質，一個聚變了之後，能夠放出一些中子，同時也產生一些能量，靠本身的聚變提供熱的能量，維持溫度。但這個溫度要維持到一個很高的溫度才能夠維持熱核聚變反應，溫度要達到好幾百萬個攝氏度才能發生聚變反應，當少於這個溫度的時候，聚變一會兒就熄滅了，就像燒火一樣，火燒的不旺一會兒就滅了。這么高的高溫，人為和其他的辦法很難達到，只有靠原子核的裂變。聚變有一個好處就是沒有核污染，而裂變有核污染。

物理解釋

物質由分子構成，分子由原子構成，原子中的原子核又由質子和中子構成，原子核外包覆與質子數量相等的電子。質子帶正電，中子不帶電。電子受原子核中正電的 吸引，在"軌道"上圍繞原子核旋轉。不同元素的電子、質子數量也不同，如氫和氫同位素只有1個質子和1個電子，鈾是天然元素中最重的原子，有92個質子和92個電子。

核聚變反應堆工作原理

核聚變是指由質量輕的原子（主要是指氫的同位素氘和氚）在超高溫條件下，發生原子核互相聚合作用，生成較重的原子核（氦），並釋放出巨大的能量。1千克氘全部聚變釋放的能量相當11000噸煤炭。其實，利用輕核聚變原理，人類早已實現了氘氚核聚變---氫彈爆炸，但氫彈是不可控制的爆炸性核聚變，瞬間能量釋放只能給人類帶來災難。如果能讓核聚變反應按照人們的需要，長期持續釋放，才能使核聚變發電，實現核聚變能的和平利用。

如果要實現核聚變發電，那么在核聚變反應堆中，第一步需要將作為反應體的氘-氚混合氣體加熱到等離子態，也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束縛，讓原子核能自由運動，這時才可能使裸露的原子核發生直接接觸，這就需要達到大約10萬攝氏度的高溫。第二步，由於所有原子核都帶正電，按照"同性相斥"原理，兩個原子核要聚到一起，必須克服強大的靜電斥力。兩個原子核之間靠得越近，靜電產生的斥力就越 大，只有當它們之間互相接近的距離達到大約萬億分之三毫米時，核力（強作用力）才會伸出強有力的手，把它們拉到一起，從而放出巨大的能量。

國際熱核聚變實驗反應堆示意圖

質量輕的原子核間靜電斥力最小，也最容易發生聚變反應，所以核聚變物質一般選擇氫的同位素氘和氚。氫是宇宙中最輕的元素，在自然界中存在的同位素有： 氕、氘 （重氫）、氚（超重氫）。在氫的同位素中，氘和氚之間的聚變最容易，氘和氘之間的聚變就困難些，氕和氕之間的聚變就更困難了。因此人們在考慮聚變時，先考慮氘、氚之間 的聚變，後考慮氘、氘之間的聚變。重核元素如鐵原子也能發生聚變反應，釋放的能量也更多；但是以人類目前的科技水平，尚不足滿足其聚變條件。

為了克服帶正電子原子核之間的斥力，原子核需要以極快的速度運行，要使原子核達到這種運行狀態，就需要繼續加溫，直至上億攝氏度，使得布朗運動達到一個瘋狂的水平，溫度越高，原子核運動越快。以至於它們沒有時間相互躲避。然後就簡單了，氚的原子核和氘的原子核以極大的速度，赤裸裸地發生碰撞，結合成1個氦原子核，並放出1箇中子和17.6兆電子伏特能量。

反應堆經過一段時間運行，內部反應體已經不需要外來能源的加熱，核聚變的溫度足夠使得原子核繼續發生聚變。這個過程只要將氦原子核和中子及時排除出反應堆，並及時將新的氚和氘的混合氣輸入到反應堆內，核聚變就能持續下去；核聚變產生的能量一小部分留在反應體內，維持鏈式反應，剩餘大部分的能量可以通過熱 交換裝置輸出到反應堆外，驅動汽輪機發電。這就和傳統核電站類似了。

最終目標

利用核能的最終目標是要實現受控核聚變。裂變時靠原子核分裂而釋出能量。聚變時則由較輕的原子核聚合成較重的較重的原子核而釋出能量。最常見的是由氫的同位素氘（讀作dāo，又叫重氫）和氚（讀作chuān，又叫超重氫）聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。

核聚變反應堆

主要優點

核聚變較之核裂變有兩個重大優點。一是地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富得多。據測算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經過核聚變可提供相當於300升汽油燃燒後釋放出的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍，可以說是取之不竭的能源。至於氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產生，而海水中也含有大量鋰。

核聚變反應 模擬實驗

第二個優點是既乾淨又安全。因為它不會產生污染環境的放射性物質，所以是乾淨的。同時受控核聚變反應可在稀薄的氣體中持續地穩定進行，所以是安全的。目前實現核聚變已有不少方法。最早的著名方法是"托卡馬克"型磁場約束法。它是利用通過強大電流所產生的強大磁場，把電漿約束在很小範圍內以實現上述三個條件。雖然在實驗室條件下已接近成功，但要達到工業套用還差得遠。按照目前技術水平，要建立托卡馬克型核聚變裝置，需要幾千億美元。

核聚變反應堆設備設計稿

慣性約束

另一種實現核聚變的方法是慣性約束法。慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內。從外面均勻射入雷射束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發，受它的反作用，球面內層向內擠壓（反作用力是一種慣性力，靠它使氣體約束，所以稱為慣性約束），就像噴氣飛機氣體往後噴而推動飛機前飛一樣，小球內氣體受擠壓而壓力升高，並伴隨著溫度的急劇升高。當溫度達到所需要的點火溫度（大概需要幾十億度）時，小球內氣體便發生爆炸，並產生大量熱能。這種爆炸過程時間很短，只有幾個皮秒（1皮等於1萬億分之一）。如每秒鐘發生三四次這樣的爆炸並且連續不斷地進行下去，所釋放出的能量就相當於百萬千瓦級的發電站。

所需燃料

氘

核聚變消耗的燃料是世界上十分常見的元素--氘（也就是重氫）。氘在海水中的含量還是比較高的，只需要通過精餾法取得重水，然後再電解重水就能得到氘。新 的問題出現了，僅僅有氘還是不夠的，儘管氘-氘反應也是氫核聚變的主要形式，但我們人類現有條件下，根本無法控制氘-氘反應，它太猛烈了，所需要的溫度要高得多，除了在實驗室條件下做一次性的實驗外，很難讓它鏈式反應下去--那是氫彈一樣的威力。還好，人們發現了氘，氚反應的烈度要小很多，它的反應速度僅僅是氘，氘反應的100分之一，而點火溫度反倒低得多，很適合人類現有條件下的利用。

磁約束核聚變反應堆

氚

而氚不同於氘，氚是地球上最稀有的元素，由於氚的半衰期只有12或26年，所以在地球誕生之初的氚早已衰變地無影無蹤了。現在人類的氚都是人工製造而非天然提取的，人們通常用重水反應堆在發電之餘人工製造少量的氚，它是地球上最貴的東西之一，一克氚價值超過30萬美元，僅在美國保存有30公斤左右的氚。

這么貴的原料，用作核聚變發電顯然是無法接受的，幸好上帝給人類又提供了一種好東西-鋰。鋰元素也是世界上最豐富的資源，有2000多億噸。一方面海水中 就包含足夠的氯化鋰，分離出來即可。另一方面，中國是世界鋰資源最豐富的國家，碳酸鋰礦也不是稀有資源，更容易獲得。鋰的2種同位素-鋰-6和鋰-7，在被中子轟擊之後，就會裂變，他們的產物都是氚和氦，目前為止人類在重水反應堆中製造氚，用的就是將鋰靶件植入反應堆的方法。

在聚變反應堆內，氚和氘反應後，除了形成一個氦原子核之外，還有一個多餘的中子，並且能量很高。我們只需要在核聚變的反應體之內保持一定比例的鋰原子核濃度，那么核聚變產生的中子就會轟擊鋰核，促使鋰核裂變，產生一個新的氚，這個氚則繼續參與氚-氘反應，繼而產生新的中子，鏈式反應形成了。所以，理論上我們只需要給反應體提供兩種原料--氘和鋰，就能實現氘，氚反應，並且維持它的進行。

核武器

核武器就是運用核能做成的武器，人們通俗的稱稱為核子彈和氫彈。學術上的稱呼，核子彈應該叫做裂變武器，氫彈叫做聚變武器。但是聚變武器現在也包含一部分裂變。

所謂裂變，就是利用原子核裂變所提供的能量來做成的武器。

原子核裂變

原子核的性質是這樣的，有輕原子核，有重原子核，但是能夠提供能量的一般都是重原子核。現在一般通用來做裂變武器的原子核比較多的是以鈾235和鈽239這兩種為主的。裂變就是一個原子核受到一個中子的打擊，打擊之後原子核裂開了，變成了兩個原子核，裂變過程當中有質量虧損，根據質量和能量的轉換關係，裂變產生了巨大的能量。 一個原子核裂變，能量也並沒有多少，大約幾百個電子伏，但是在裂變的過程中間，核反應之後通常要放出一些中子出來，放出來的中子數量不是一個定數，有的多一些，有的少一些，但平均是兩到三個。裂變之後放出的中子又要使周圍其他的和同樣的元素、核素起裂變作用，於是一個帶七八個、十來個，然後這七八個、十來個，每一個又帶七八個、十來個從而產生高能量，很多很多原子核進行裂式裂變反應，產生出作為武器使用的能量。

集中核聚變反應堆

輕原子核的裂變

第二個能量的來源就是輕原子核的裂變。我們知道化學元素中間最輕的就是氫了，氫的核也是最簡單的核，氫也有它的同位素，一個是重氫，還有一個超重氫。這兩種同位素都具有比較容易裂變的條件，一個氫原子核跟另外一個氫原子核聚會到一起，發生核反應。原子核和原子核合在一起發生裂變特別困難，要很大的能量才能夠使它們聚會在一起，所以就需要很高的溫度，因此，這個反應又叫做熱核反應或是聚變反應。聚變反應的能量比裂變反應能量大三倍。但是，氫原子核本身質量輕，同樣重量的氫元素、聚變元素聚合在一起，原子核數量多，所以總的來看，聚變反應能量比裂變反應能量就不至是大三倍的問題了。

發展前景

ITER計畫

實現可控制的核聚變反應，打造一個“人造太陽”，已成為當今世界擋不住的一大誘惑。因為，這可以一勞永逸地解決人類存在的能源短缺問題，豈不幸哉！

讓世人感到興奮的是，2007年5月24日，在歐盟總部布魯塞爾，中國、歐盟、美國、韓國、日本、俄羅斯和印度7方代表共同草簽了《成立國際組織聯合實施國際熱核聚變反應堆（ITER）計畫的協定》，這意味著與此相關的科研項目將全面啟動，“人造太陽”將由夢想逐步變為現實。

ITER計畫是一項重大的國際科技合作計畫。它的目標是要建造可控制的核聚變反應堆，最終實現商業運行。根據核子彈和氫彈爆炸的原理，核裂變和核聚變產生的能量極大，但核聚變單位質量產生的能量要比核裂變大7倍，利用核聚變為人類造福的前景非常好。

核聚變所需要的氫是宇宙中最豐富的元素。氫的聚變反應在太陽上已經持續了近50億年，至少還可以再燃燒50億年。在其他恆星上，也幾乎都在燃燒著氫的同位素氘和氚。而氘在自然界取之不盡。科學家初步估計，地球上的海水中蘊藏了大約40萬億噸氘。從1升海水裡提取的氘，在聚變反應中所釋放的能量，相當於燃燒300升汽油。如果把自然界的氘和氚全部用於聚變反應，釋放出來的能量足夠人類使用100億年。與核裂變相比，氘和氚的聚變能是一種安全、不產生放射性物質、原料成本低廉的能源。

在前人研究的基礎上，ITER計畫最初是由美國和蘇聯於1985年提出，隨後日本和歐盟回響參與。後因蘇聯解體，1999年美國退出，計畫的進展受到了不小的影響，但研究工作並沒有停止。2003年，美國宣布重返。接著，中國、韓國和印度先後加入。這使得ITER計畫活力更大，實力更強。經過該計畫參與方數年的努力，不僅完成了所有法律檔案的談判，而且將ITER的場址確定在法國的卡達拉什。按計畫，ITER將於今年開始建造，建設期限大約為10年，耗資約46億美元。

造太陽的難度

但再造“太陽”的難度也相當大。譬如，如何讓聚變後產生的上億攝氏度的電漿，長時間內“老實地呆在容器里”，使聚變反應穩定持續地進行。為了製造出這么一個“魔瓶”來，科學家們已經嘔心瀝血幾十年，至今還沒有找到一個滿意的答案。因此，在ITER計畫實施過程中，許多尖端的前沿課題和工程技術難關還有待各國科學家一一攻克。

中國在2003年成為ITER談判過程中的正式成員。中國科學家參與聚變能的研究開發，對解決中國能源短缺和提高中國的高科技水平，確保可持續發展具有重要現實意義。

當今世界，人口爆炸性地增長，能源、資源危機步步逼近。這項前無古人的ITER計畫，或許也是一個別無選擇的計畫，將為人類的生存和發展創造又一個“太陽”。雖然這個“太陽”離我們還有一段距離，有人估計需要50—100年，不過可以相信，“人造太陽”普照人間的這一天終將來臨。

巨大誘惑

儘管實現受控熱核聚變仍有漫長艱難的路程需要我們征服，但其美好前景的巨大誘惑力，正吸引著各國科學家在奮力攀登。