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1、核聚变是什么？

裂变和聚变以铁为分界线，轻核聚变与重核裂变释放能量。为了克服库仑力使原子核进入强相互作用力的范围而发生聚变需满足温度、密度和约束时间三个条件，原子核中的质子和中子统称为核子。随着原子序数的增大，平均核子质量先减小后增大，其中铁原子的核子平均质量最小。在核反应过程中，核子的平均质量减少，根据爱因斯坦的质能方程E=mc2，释放大量能量。这种核反应分为裂变和聚变，核裂变是原子核吸收中子分裂成两个或多个原子核并释放能量的过程，现有核电站主要使用的核裂变发电；核聚变是两个原子核在极端条件下发生聚合，生成新的原子核并释放能量的过程。裂变和聚变元素以铁为分界线，原子序数大的元素（铀、钚等）裂变释放能量，原子序数小的元素（氘、氚等）聚变释放能量。

2、核聚变在能量密度、清洁性、安全性和可持续性上具有优势

相较于核裂变，核聚变在能量密度、清洁性、安全性和可持续性上具有显著优势，以氘氚

聚变为例：

（1）核聚变能量密度高。由于轻核的核子平均质量大于重核，因此轻核聚变时产生的质量亏损更大，平均每个核子释放的能量更多。氘氚聚变的能量密度大约是天然铀快中子堆的14 倍，是浓缩铀轻水堆的100 倍。

（2）核聚变燃料和产物清洁。核聚变燃料氢、氘、氚都属于轻元素，放射性元素氚的半衰期只有12.43 年左右；而核裂变燃料属于重元素，在裂变过程中会产生锝、碘、钯、铯、锶等长寿命裂变产物和镎、镅、锔等次锕系核素，具有很强的放射性并且半衰期在几万年甚至几百万年以上。

（3）核聚变的安全性高。核聚变的反应条件严苛，需要高温高压才能维持反应。一旦条件不满足，聚变反应会自动停止。而核裂变是链式反应，即使反应堆停堆，由于缓发中子的存在使得裂变反应会继续进行。在没有及时排出余热的情况下，可能会导致严重的核事故，例如日本福岛核事故。

（4）核聚变燃料充足。核聚变燃料氘非常丰富，据中国原子能科学研究院估算，每升海水中含有0.03g 氘，仅在海洋中就有45 万亿吨氘。按照目前世界能量的消耗估计，地球上蕴藏的核聚变能可用100 亿年以上。另一种燃料氚在自然界中已基本衰变消失，但可通过中子辐照锂制备。用现代技术在全世界可以提取锂1000 万吨，海洋中可以提取2000 亿吨锂，因此地球上的锂储备足以保障人类对聚变能源的应用。

3、如何实现核聚变：温度、密度和能量约束时间

温度/密度/约束时间，帮助原子核克服库仑斥力实现聚变反应。核聚变本质是将原子核压缩到强相互作用力的作用范围而发生聚合的过程，但由于原子核带正电，聚合过程中会受到库仑力而相互排斥。库仑力属于电磁力，作用距离无限，且随着距离的减小而增加；而强相互作用力是短程力，作用距离在原子核直径的量级。当原子核被压缩到足够近的距离时，强相互作用力将克服库仑斥力，并将原子核束缚在一起，释放巨大能量。因此为了克服库仑力使原子核进入强相互作用力的范围而发生聚变需满足温度、密度和约束时间三个条件。

（1）温度T（使原子核具备初始动能）：为了克服库仑斥力发生聚合，原子核必须具备一定的动能。温度是微观粒子热运动的宏观表现，温度越高，原子核动能越大。以氘氚反应为例，通过假设原子核动能大于库仑势能，可以计算出原子核必须具有288KeV 以上的初始动能才能够发生聚变，换算成温度约为30 亿度，大概是太阳核心温度的200 倍。但由于在原子核尺度上，经典力学已经不再适用，需考虑量子力学的影响。在考虑隧穿效应、波动效应、共振效应等量子效应后，发生聚变反应所需温度约为1 亿度，实现难度大幅降低。

（2）密度n（增加原子核发生碰撞概率）：聚变燃料在高温下会电离为由原子核和自由电子组成的等离子体。等离子体是物质的高温电离态，是一团由带电粒子组成的高温电离气体。密度衡量的是等离子体单位体积内粒子的个数，等离子体需要保持较高的密度以增加原子核发生碰撞的概率。

（3）能量约束时间τE（维持高温、高密度等离子体稳态运行）：在聚变反应过程中，高温等离子体的能量会以辐射和热传导的形式逸出，为了使高温等离子体中核聚变反应能够持续，必须将等离子体约束在有限空间内，并长时间地维持上亿摄氏度的高温和高密度的核反应条件。

如何实现聚变点火：温度×密度×约束时间三重积满足劳逊判据且Q>1核聚变反应需满足劳逊判据，氘氚反应最容易实现。温度、密度和能量约束时间三者的乘积nτET 称为聚变三重积，根据劳逊判据，只有聚变三重积大于5×1021m-3·s·keV，才能产生有效的聚变功率输出。在主要的聚变反应中，由于氘氚反应的聚变截面（原子核发生聚变反应的概率）和反应率（原子核发生聚变碰撞的活跃程度）大于其他聚变反应，最容易发生聚变，因此目前国际聚变研究领域的主流是氘氚聚变反应。当温度为1.6 亿度时，氘氚反应三重积nτET 最小为2.6×1021m-3·s·keV，此时三重积的反应条件在工程上最容易实现。

4、如何实现可控：引力约束、磁约束和惯性约束，引力约束无法在地球实现

引力约束/磁约束/惯性约束，以不同途径满足劳森判据。在达到聚变条件后，需要通过一定的约束方式对高温聚变物质进行约束，以实现稳态运行，从而获得持续的核聚变能。实现可控核聚变约束主要有引力约束、磁约束以及惯性约束三种约束方式，分别通过万有引力、磁场和惯性实现对核燃料的约束。三种约束方式通过不同的途径满足聚变三重积要求，其中，引力约束通过高压形成高密度等离子体并维持长约束时间，从而在较低的温度下实现聚变；磁约束致力于将低密度的等离子体加热至极高温并长时间约束，以满足劳森判据；性约束旨在将高密度的燃料在极短的时间内发生聚变