核聚变原理 核聚变有多难，科学家用了几十年都没搞定？看完心疼他们一分钟！

据说核聚变是人类追求的终极能源。原因很简单，因为它的燃料来源是我们常见的氢气，但是它的能量是核裂变的十倍以上，而且没有核废料，辐射很少甚至没有辐射！太阳是现实世界中离我们最近的恒星，一直在进行核聚变。除了夜晚的几颗行星空，每一颗都和太阳一样！优点那么多，对空还是很常见的。为什么我们不能一直实现它们？

核聚变到底用的啥原料，真是氢吗？

核聚变这个词从上个世纪中叶开始流行，现在已经成了烂大街。也许连菜市场的大妈都可以跟你聊核聚变，因为新闻里会时不时出现，但真正懂核聚变的朋友可能不多。先说核聚变的燃料。所谓“巧妇难为无米之炊”！

新闻里的核聚变说不清楚，但只能说明我们试图突破的核聚变，和太阳一样，用氢，用之不竭！那么氢真的是核聚变的燃料吗？其实这只说对了一半，因为太阳真的是靠氢做燃料的，但我们努力实现的并不是全部！

氢有三种同位素，它们是:

甄:一个质子+一个电子

氘:一个质子+一个中子+一个电子

氚:一个质子+两个中子+一个电子

氢是宇宙中最丰富的元素，但氢的同位素最丰富，占99.98%。氘的含量很小，自然界中大约是0.02%。因为氚的半衰期为12.33年，很难在自然界长期存在。

对于太阳来说，氘很容易达到聚变条件，但是氘的含量很少，而且在太阳的褐矮星阶段就已经达到了聚变条件)，所以在太阳的主序列星时代，所有的燃烧都是从甄开始的！那么有多难呢？

由于质子之间的库仑势垒很难突破，质子链式反应只有在极高的温度下，质子的平均动能突破库仑排斥时才能进入。根据前面计算的理论值，太阳核心的温度不允许质子突破和库仑排斥。但是经过量子力学的发展，发现质子可以通过波函数隧道，在比理论温度更低的温度下实现聚变反应。

1H + 1H → 2H + e+ + νe

质子反应链的第一步是两个质子汇聚成氘核，其中一个质子释放一个正电子，一个中微子转化成中子！这个过程很慢，因为是一个吸能β正电子衰变过程，理论上需要10 ^ 9年才能聚合成氘！

当然，世界顶尖科学家努力工作的ITER不能等一亿年，所以我们必须走另一条路！氘和氚的聚变反应。

实现核聚变有多难？需要什么条件？

我们前面说过，氘在自然界中是少量存在的，氚在自然界中是不存在的。一般是用反应堆中的中子轰击Li -6得到的！

2H+3H → 4He+1n，它们之间的反应会有中子剩余

氘和氚的结合能在所有原子核中最低，但仍需要10 8 K以上或超高压，如太阳核心的条件，可以降低高温条件。到目前为止，人类的氢弹中充满了氘和氚，但即便如此，氢弹中氘和氚的聚变条件是通过原子弹爆炸实现的。这种极端的温度在太阳核心很容易达到，但是人类却傻眼了。怎么才能达到这种极端的温度？需要保证极高的温度，并保持足够的时间，因为只有保持足够的时间，原子核才有更多的机会参与聚变。好像根本找不到这样的容器。

当前有哪几种方式来实现核聚变？

根据核聚变的极端条件，科学家们挖空的脑袋，从理论上想出了几种实现核聚变的方法，即磁约束和惯性核聚变。下面逐一介绍他们的原理！

第一，磁约束核聚变

顾名思义，磁约束聚变是利用强大磁场约束核聚变的装置，但它有几个必须达到的目标，因为这是实现磁约束的基础。

1.1000万度高温怎么控制？

如上所述，核聚变需要几个关键点。首先是几千万度的高温，然后需要很长时间，然后就要找这样的容器。当然，没有一个容器能装得下几千万度的高温，因为人类能找到的最耐热的材料是Ta4HfC5，熔点4215℃，却没有几千万度高温的零头。没有办法吗？当然有！

当物质处于极高的温度时，电子会变成自由电子，而原子核会变成离子，这就叫等离子体！离子带正电，运动受磁场控制。所以理论上只要建立了强磁场，就可以控制等离子体不跑了。

2.极端高温是怎么产生的？

磁约束所需的等离子体高温加热有两个阶段，一个是注入阶段，一个是磁约束核聚变阶段。当然，前者不难，后者需要将受限等离子体温度加热到几千万甚至上亿度。方法如下:

欧姆加热：利用产生磁场的变换电流在其内对流通的等离子体加热，利用的是电阻加热原理，但随着等离子体温度升高、电阻下降后加热效果迅速下降。中性粒子注入加热：将加速到很高能量的离子束中和成中性粒子束，在注入受约束的等离子体中，高能中性粒子与等离子体成为高能离子，再经库伦碰撞将能量传递给电子和离子，达到加热目的。

波加热：使用输入适当频率的电磁波，通过等离子体内的离子回旋共振、电子回旋共振以及混合共振等方式达到加热等离子体的目的。

3.如何阻挡中子？

氘氚聚变会产生一个能量高达14MeV的多余中子，而中子是不带电荷的，不受磁场控制，所以会飞来飞去。而且中子还有几个特别讨厌的问题，一是穿透力强，二是会造成材料缺陷，导致脆化和蠕变等。，材料寿命会缩短，最终无法使用。

中国交付给ITER的第一堵墙

在磁约束核聚变装置中，阻挡中子和等离子体，防止高能氢离子飞溅，将来用作热交换的结构称为第一壁。在核聚变反应堆的材料选择上，这第一壁有极高的要求。

当然，磁约束核聚变反应堆远不止上述问题，比如产生磁场的超导磁环的设计要求非常高，等离子体可以达到的极限温度和密度，以及等离子体的约束时间等。

二、磁约束核聚变装置有哪些种类？

按照结构分为两类:托卡马克和星际模仿者。当然，每个都有很多细分，就不一一介绍了。两者都是通过磁场来抑制等离子体，但又有所不同。

托卡马克装置

托卡马克:磁环相对规则，但环形螺旋磁笼产生所需的等离子体电流

星形模仿器:由外部极度扭曲的线圈直接产生的扭曲环形磁笼

托卡马克装置最早是由前苏联库尔恰托夫研究所的阿兹莫维奇在20世纪50年代发明的。虽然到现在已经有了很大的变化，但是结构原理上没有太大的区别。我们来看看托卡马克的超大变压器

原理挺简单的。黑色初级线圈为电源输入端，环形等离子体为次级感应“浅蓝色线圈”，带电“线圈”会被深蓝色磁环控制。理论上这是一个完美的结构吧？事实上，托卡马克装置中的等离子体电流高达1000万安培。畸变模式、磁岛、磁面撕裂非常严重。失控的话，最好的结果是熄火，最坏的甚至有可能爆炸，因为几千万安培带来的能量会在这个封闭的空空间里消散。

可以看到里面是规则的空腔结构，中间的大柱子是“铁芯”，超导磁环线圈都隐藏在半圆形空腔外面，由第一壁严密保护。

恒星模仿者的概念是由普林斯顿大学的物理学家莱曼·斯必泽于1951年提出的。星模拟器的特点是极扭磁环线圈控制，不需要内部等离子体电流。控制等离子体的技术难题通过内扭闭合磁笼转移到外部三维磁场，给设计、施工和安装带来很大困难。

明星模仿者的外观设计就像一条首尾相连的蛇，在工业设计中有美感！上图中，50个蓝色扭环是不规则超导线圈，20个黄色扭环是普通环形线圈。

是不是好像明星模仿者杀了托卡马克？其实这是不对的。托卡马克虽然是大脉冲变压器，电压和秒有限，但不能连续提供驱动电流，导致放电时间较长。但星仿器有一个致命的缺点，其不规则磁场容易产生磁感应强度的周期性振荡，导致其约束性能下降。与托卡马克相比，星模拟器在等离子体密度和温度上比托卡马克差一个半点以上。所以仿星器并没有成为主流，只有德国在这方面走的更远！

第三，惯性约束聚变

惯性约束聚变的原理比较简单。当靶受到激光轰击时，产生的等离子体的惯性在足够长的时间内保持其压力，使得靶丸在这个循环中产生大量的聚变反应，因此被称为ICF。1972年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家约翰·努科尔首次提出了用高功率激光压缩微型靶丸以达到热核材料点火条件的方案。这是惯性约束聚变最早的起源。惯性约束聚变有两个关键:

1.激光的数量和功率

2.目标药丸的驱动模式

前者当然是最关键的，因为激光是匹配的，而且这个匹配不够强，什么都不要考虑！以前的激光器体积大，功率不足，所以只有理论，没有用。然而，随着高功率固体激光器的诞生，惯性约束聚变逐渐从理论走向实验。

另一个问题是靶丸的设计，与惯性约束聚变的点火方式有关。惯性约束聚变点火发生条件的劳森判据是靶丸质量密度ρ与半径r的乘积，增大等离子体密度或靶丸直径会提高该条件下的成功率，因此靶丸的设计至关重要。上图是两种靶丸的设计，左侧间接驱动，右侧直接驱动。NIF采用内爆间接点火方案，聚变输出能量高于氘氚燃料总能量，说明部分靶丸已经产生聚变。

欧米茄，来吧，发射目标装置

上图为OMEGA快射靶装置:激光束直接驱动靶丸，比间接驱动效率高。与氘氚燃料靶丸耦合的能量是间接能量的5-6倍，但激光辐照靶丸的均匀性相对较低。

惯性约束聚变可靠吗？

如何从惯性约束聚变中心提取能量是一个问题。另外点火频率要提高几个数量级，不然真的是大玩具。惯性约束聚变必须面对以下问题:

1.高效率、极高频率、极低成本的高能激光器

2.目标药丸的低成本制造方法

当然，惯性约束聚变反应堆内壁在每次聚变中的辐射影响也不小，因为它也使用氘氚材料进行聚变，也会出现中子辐射问题。另外，与磁约束不同，惯性约束是脉冲的，冲击的累积应力会更大。

间接驱动模式点火

核聚变装置都遇到难以跨越的障碍？

前一篇文章已经解释了几种核聚变装置的实现原理和理论难点。先说一下这些设备在操作过程中遇到的难以想象的困难。

1.理论上氘氚核聚变中的氚可以通过锂-6的中子轰击产生，而氚氘核聚变本身会产生中子，所以会有增值效应。但是氚的增值效果相对较差，会被第一堵墙搁浅。氚的成本极高，一公斤需要上亿美元，真的不是一般机构能承受的。

2.第一壁的消耗，这是中子和等离子体辐射的第一撞击面。此外，中子导致第一壁材料的嬗变和高温高压的冲击，使得这种昂贵的第一壁实际上变成了消耗品。然而，ITER是从中国订购的第一堵墙，中国承担了ITER 10%的制造任务，包括热核聚变反应堆的热负荷增强部件。

3.等离子体的不稳定性和控制破裂的问题。托卡马克核聚变装置越来越大，等离子体电流越来越高。一旦破裂，后果不堪设想

4.星模拟器的等离子约束会更好，其他的和托卡马克问题一样。

5.惯性约束聚变不存在等离子体问题，但初始内爆对称性要求极高的精度，这始终是一个无法克服的障碍

核聚变的未来

磁约束聚变在发电方面有天然的优势，因为第一壁可以作为热交换的介质，但惯性约束在未来的星际发动机中更有优势，但无论哪一种目前还是相当困难的。但随着未来约束和加热技术的发展，实现了更高的温度约束，比如实现氦三核聚变，这是一种没有中子的聚变方式，通过抽出带电的氦四核和两个氢核就可以发电。

前苏联物理学家、托卡马克之父列夫·阿兹莫维奇曾经说过一句名言:“当整个社会都需要它的时候，聚变就实现了”，但是阿兹莫维奇叔叔，我们已经非常需要它了。多久才能实现？