核聚变

核聚变是两个原子核结合形成一个较重原子核的反应，有时还伴随其他粒子的释放。合适的轻原子核发生聚变时会释放能量，因为产物的总静止质量小于反应物的总静止质量。核聚变为太阳和其他恒星提供能量，人们也在研究将其用作地球上的潜在能源。核裂变将原子核分裂，而核聚变则由较小的原子核构成更大的核结构。(energy.gov)

物理原理

聚变释放的能量取决于核结合能，即将原子核拆分为其组成粒子所需的能量。当聚变产物比反应物结合得更紧密时，总静止质量的减少就会以动能和辐射的形式释放出来。这遵循质能等价关系，可表示为 $E=\Delta mc^2$。每个核子的平均结合能总体上随原子核接近铁、镍区域而增大，这解释了为什么许多轻核聚变反应会释放能量，而形成比铁、镍重得多的原子核通常需要能量。(energy.gov)

带正电的原子核之间存在电斥力。要发生聚变，它们必须彼此靠近到足以使与强相互作用有关的短程核吸引力发挥作用的距离。量子隧穿使原子核即使没有达到经典物理中越过排斥势垒所需的能量，也能发生聚变。因此，聚变反应速率同时取决于碰撞能量和量子力学中的势垒穿透概率，而不是由某个单一、明确的温度阈值决定。(arxiv.org)

恒星中的聚变

在太阳内部，氢主要通过质子—质子链转化为氦。在温度更高、质量更大的氢燃烧恒星中，碳氮氧循环的作用更为重要。这些过程都是一系列反应，而不是四个氢核在一次碰撞中同时合并。两者最终都将氢转化为氦并释放能量；它们的反应速率是恒星结构与演化模型中的关键因素。(arxiv.org)

聚变也参与核合成，即原子核的形成过程。在恒星演化的后期阶段，氦核和更重的原子核参与反应，生成碳、氧及其他元素。大质量恒星可以经历连续的燃烧阶段，产生铁族附近的原子核。许多更重元素的形成则涉及中子俘获过程，这些过程发生在恒星爆炸、中子星并合等环境中。(energy.gov)

燃料与反应产物

许多聚变能源实验着重使用氘和氚这两种氢的同位素。氘含有一个质子和一个中子；氚含有一个质子和两个中子。它们的反应产生一个氦-4核和一个中子：

其中，氦核获得约 3.5 MeV 的能量，中子获得约 14.1 MeV 的能量。这一反应在实验上具有吸引力，因为与许多其他候选聚变燃料相比，它能在较低温度下达到具有实用价值的反应速率。(iter.org)

在磁约束反应堆中，带电的氦核可以帮助加热燃料，而不带电的中子会逸出磁约束区域，将能量沉积在周围材料中。中子的能量可以作为热量回收，但中子辐照也会损伤反应堆部件。因此，氘氚聚变不仅涉及等离子体物理，还涉及要求严苛的材料与热量提取问题。(iter.org)

反应条件与约束

热核聚变实验将燃料加热成含有原子核和自由电子的等离子体。在地球上，要达到具有实用价值的聚变反应速率，通常需要超过 1 亿摄氏度的温度。仅有高温还不够：还必须让足够多的燃料在足够长的时间内保持聚集，使聚变加热能够与能量损失相抗衡。劳森判据通过燃料密度、温度和能量约束时间来描述这种平衡，这三个量常被组合为“三乘积”。(energy.gov)

磁约束聚变利用磁场限制带电粒子的运动，减少高温等离子体与容器壁的接触。托卡马克采用环形构型，其中等离子体电流对约束起重要作用。仿星器的约束构型主要由外部产生的三维磁场形成，无需依赖较大的等离子体电流来实现约束，为稳态运行提供了一条途径。(nucleus.iaea.org)

惯性约束聚变则通过快速压缩一个微小的燃料靶丸来实现。高强度激光脉冲可以加热并烧蚀靶丸的外层，驱动其向内爆缩。压缩后的燃料会在膨胀之前的短暂时间内燃烧。激光既可以直接照射靶丸，也可以在包围靶丸的腔体内产生 X 射线，再由 X 射线驱动压缩。(nucleus.iaea.org)

点火与能量增益

点火是指聚变产物提供的加热足以在相应的约束时间内维持燃料燃烧，而无需持续的外部加热。在磁约束聚变研究中，增益因子 $Q$ 通常表示聚变功率与外部输入的等离子体加热功率之比。它并不涵盖设施的全部用电需求，也不衡量向电网输送的净电量。(iter.org)

2022 年 12 月 5 日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置实现了实验室聚变点火：向靶输入 2.05 兆焦耳激光能量，产生了 3.15 兆焦耳聚变能量。这证明了靶层面的能量增益，而不是净发电：这一比较没有计入运行激光系统及整个设施所需的能量。(llnl.gov)

聚变电站工程

实用的聚变电站必须将约束、燃料供应、热量回收、发电以及部件的可维护性统筹结合。氚具有放射性，供应稀少，半衰期约为 12.3 年。拟议中的氘氚聚变电站将利用含锂的增殖包层生产补充燃料，通过聚变中子生成氚，同时回收热量。高效的氚增殖、提取、循环利用和密闭控制，仍是关键的研发任务。(iter.org)

聚变不依赖由中子驱动的自持裂变链式反应，但这并不意味着其工程上不存在危险。氚的密闭控制、中子诱发的放射性、强热负荷、材料性能退化以及部件更换，都需要专门的系统来应对。商业化运行还要求可靠的能量转换和较高的电站可用率，而不只是演示聚变反应或实现实验性能量增益。(nucleus.iaea.org)