核聚变原理

太阳和恒星的核聚变是由氢原子聚变形成氦，物质转变为能量。氢加热到很高的温度后，从气体变成等离子体，其中带负电荷的电子与带正电荷的原子核分离。通常情况下，聚变是不可能的，因为带正电的原子核之间强烈的排斥静电力使它们无法靠得足够近而发生聚变。然而，如果原子核能够克服静电力，使它们能够在非常近的范围内相互作用，那么原子核之间吸引的核力将超过排斥的静电力，从而允许原子核融合在一起。当温度升高时，这种情况就会发生：离子移动得更快，最终达到足够快的速度，使两个离子之间靠得足够近。原子核就会发生聚变，释放出能量。

在太阳中，巨大的引力为核聚变创造了合适的条件，但在地球上要实现这些条件要困难得多。聚变燃料（不同的氢同位素）必须加热到5000万摄氏度左右的极端温度，并且必须在高压下保持稳定，才能使原子核发生聚变。受控核聚变研究项目的目标是实现“点火”，即当聚变反应足够多，整个过程可以自我维持，只需对它添加燃料就行。一旦点火成功，就有净能量产生，大约是核裂变的4倍。根据麻省理工学院的数据，发电量随着压力的平方增加而增加，因此压力加倍会导致能源产量增加四倍。

核聚变燃料

用目前的技术，最容易实现的反应是氢的两种同位素：氘和氚。在质量基础上，氘-氚聚变反应释放的能量是铀裂变的四倍多。氘自然存在于海水中（每立方米30克），这使得它相对于其他能源资源来说非常丰富。氚自然存在，但只有微量（由宇宙射线产生），它可以在传统核反应堆中制造，或者在目前的情况下，在锂聚变系统中产生。锂在地壳中含量很高，在海洋中含量较低。

在聚变反应堆中，氘-氚核聚变反应产生的中子将被包裹在堆芯周围的含锂包层吸收，锂随后转化为氚和氦。覆盖层必须足够厚来减慢高能中子的速度。中子的动能被覆盖层吸收，使之升温。热能被流经覆盖层的冷却剂(水、氦或锂铅共晶)收集，这些能量将通过传统方法用于发电。如果产生的氚不足，必须使用一些补充源，例如使用裂变反应堆用中子照射重水或锂，而外来氚会给搬运、储存和运输造成困难。

核聚变反应堆的困难

目前的困难在于开发一种装置，能够将氘-氚燃料加热到足够高的温度，并将其限制足够长的时间，以便使通过聚变反应释放出的能量比消耗的能量更高。虽然氘-氚反应是人们关注的主要焦点，但长期的希望是氚-氚反应，但这需要更高的温度。

无论如何，我们面临的挑战是如何将热能用于人类需求。气体中的聚变反应的能量密度比固体燃料中的裂变反应的能量密度要小得多，因此，热核聚变的功率密度总是比核裂变低得多，这意味着任何核聚变反应堆都需要比同样功率输出的裂变反应堆更大，因此成本也更高。此外，核裂变反应堆使用的固体燃料比热核等离子体密度大，因此释放的能量更集中。聚变产生的中子能量高于裂变产生的中子能量，这对结构材料提出了重大挑战。

目前，两种主要的实验方法正在研究：磁约束和惯性约束。第一种方法使用强磁场来包含热等离子体。第二种方法是使用强激光或粒子束将含有聚变燃料的小粒子压缩到极高密度。