隨著原子序數(shù)的增大，平均核子（質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱）質(zhì)量會經(jīng)歷先減小后增大的變化，而核反應就是通過核子重新組合使得平均核子質(zhì)量減少。因此，核反應包括重核裂變與輕核聚變。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc2（即產(chǎn)生的能量等于減小的質(zhì)量乘以光速的平方），重核裂變與輕核聚變過程都因伴隨著質(zhì)量虧損而釋放巨大的結合能，相比之下核聚變反應釋放更多的結合能，如下圖所示。由于光速平方是個極大的系數(shù)，因此很小的質(zhì)量虧損便可釋放驚人的能量，這便是核能能量密度驚人的內(nèi)在原因。

核聚變反應釋放更多的結合能

核聚變反應條件

實現(xiàn)核聚變反應，需要同時滿足三個條件：足夠高的溫度、一定的密度和一定的能量約束時間，三者的乘積稱為聚變?nèi)朔e。根據(jù)勞遜判據(jù)，只有聚變?nèi)朔e大于一定值（5×1021m-3·s·keV），才能產(chǎn)生有效的聚變功率輸出。

獲得核聚變反應三要素

首先是高溫，實現(xiàn)核聚變反應需要將氘氚原子核壓縮到很小尺度的核力范圍內(nèi)，但由于原子核帶正電，必須在極高溫下才能獲得足夠的能量以克服彼此間的庫侖勢壘。盡管太陽核心溫度已經(jīng)高達1500萬攝氏度，但這遠未達到核聚變反應的要求，只能依靠量子隧穿效應獲得1028分之一的極低反應效率，實際上日核區(qū)的單位體積發(fā)熱功率不及人體的三分之一，只是依賴太陽巨無霸的質(zhì)量和體積取勝。而要在地球?qū)崿F(xiàn)高效核聚變反應，溫度需要達到1億攝氏度以上，是太陽核心溫度的近10倍，從而實現(xiàn)比太陽核心更高的功率密度。其次是一定的密度和能量約束時間，保持足夠的密度（粒子濃度）有助于提高原子核間的碰撞效率，以獲得足夠的聚變反應率；而高能量約束時間意味著具有良好的隔熱性能，能量流失的緩慢，提高聚變反應率。

可控核聚變實現(xiàn)途徑

達到聚變條件后，還要對高溫聚變物質(zhì)進行約束，以延長可控聚變反應時間，從而獲得持續(xù)的核聚變能。實現(xiàn)可控聚變約束有三種途徑：引力（重力）約束、慣性約束和磁約束。

聚變約束的三種途徑

引力約束主要是靠強大的萬有引力來提供對聚變?nèi)剂系募s束力，比如太陽的萬有引力使日核區(qū)的氫不斷往中心擠壓，從而形成很高的密度，再加上太陽有足夠長的能量約束時間，使得核聚變反應得以持續(xù)發(fā)生。

慣性約束則以多束極高精度的激光從四面八方向一個非常微小的聚變?nèi)剂贤鑳A注巨大的能量，產(chǎn)生瞬間的高溫和高壓，巨大的壓力使聚變?nèi)剂系拿芏仍诙虝r間達到極限值，從而引發(fā)核聚變反應。

磁約束利用磁場對運動原子核產(chǎn)生的洛倫茲力產(chǎn)生約束，聚變?nèi)剂显跇O高溫下會完全電離為由原子核和自由電子組成的等離子體，倘若讓這團等離子體置身于強磁場的空間，帶電的原子核與電子在垂直于磁場方向不再自由只能沿著磁場方向做回旋運動，從而受到約束。

在三類約束方式中，引力約束無法在地球上實現(xiàn)，慣性約束難以實現(xiàn)持續(xù)的聚變功率輸出，因此磁約束核聚變是實現(xiàn)“人造太陽”夢想的有效途徑。

托卡馬克螺旋約束磁場

（圖文：中科院合肥研究院等離子體所副研究員 王騰）

來源: 中國電機工程學會