本文为节选内容

如需更多报告，联系客服

或扫码获取报告

核能是一种高效且清洁的能源，源于物质元素的原子核发生变化时释放的能量，通常称为核能。与支持生命的化学能不同，核能来自原子的核内，而化学能则涉及核外能量，参与生命过程的化学反应不会导致原子核的变动。核能释放的能量主要分为两类：（1）核裂变（nuclear fission），指重元素的原子核（通常采用铀、钚、钍等）分裂为较轻元素的原子核时释放的能量，称为核裂变能；（2）核聚变（nuclear fusion），指小质量元素的原子核（通常采用氢的同位素氘和氚）聚合成重核时释放的能量，称为核聚变能。

核聚变能具有燃料丰富、清洁、安全性高、能量密度大等突出优点，被视为人类理想的终极能源。目前核能发电利用的是裂变能。而对于核聚变的应用，目前全球仍在努力研究探索。核聚变具有几个突出的优势，使得其相比于其他能源被认为是人类未来最理想的能源：首先它的原料储量极其丰富，氘可以从海水中廉价提取，而氚则可以利用聚变产生的中子与丰富的天然锂反应产生；其次，燃烧”每单位质量的燃料释放出的能量非常大，理论上，只要有几克这些反应物，就可以产生一万亿焦耳的能量，这大约是一个发达国家里一个人60 年所需的能量；此外，核聚变能源对环境的污染轻，聚变产物没有放射性。和风能太阳能相比，聚变能源可按需提供，不受天气影响，可靠性更强。

核聚变已有氢弹的应用，难的是可控，也就是可控核聚变，使得聚变能源可以在控制的情况下实现安全、持续、平稳的能量输出。核聚变目前已经可以实现了，比如氢弹就是核聚变原理。难的是可控核聚变，也就是可控的、能够持续进行的核聚变反应，实现安全、持续、平稳的能量输出。目前可控核聚变还在突破的过程中，主要难点包括高温高密度和长约束时间。

核聚变反应对于温度的要求非常高，通常需要达到上亿摄氏度。在如此高的温度下，气体分子将被完全电离，此时物质以高温等离子体形态存在。为了持续输出反应能量，对于聚变等离子体的有效约束是关键。通常对于此类高温等离子体的约束方式有3 种，即引力约束、惯性约束，以及磁约束：

1 引力约束

最典型的引力约束核聚变是太阳的发光发热。由于太阳的巨大质量，它能够利用自身的引力将核燃料紧密束缚在一起。在这种极端高温高压的环境中，核燃料发生核聚变反应，从而释放出大量能量。目前人类现有的技术尚无法在地面上构建可以实现引力约束的反应堆。

2 惯性约束

惯性约束是一种常用的核聚变约束方式，通常通过高能激光或粒子束将燃料加热并压缩成等离子体。在自身惯性作用下，等离子体在极短的时间内无法向外扩散，从而被压缩到高温和高密度的状态，进而发生核聚变反应。由于这种聚变方式是依靠等离子体自身的惯性来实现的，因此称为惯性约束核聚变。这种约束方式的时间尺度较短，形成的等离子体具有较高的温度和密度特征，且需要大量的能量输入和精确的控制技术。

3 磁约束

磁约束被认为是目前最有前景的实现大规模受控核聚变反应的方法，目前研究的装置包括托卡马克、仿星器、反向场箍缩及磁镜等。带电粒子在磁场中倾向于沿着磁力线运动，而横越磁力线的运动则会受到限制，因此磁场可以有效地约束带电粒子。磁约束核聚变通过外部加热手段提升燃料的温度，使其完全电离形成等离子体。采用特殊结构的磁场将包含燃料离子和大量自由电子的高温等离子体限制在一个有限的空间内，从而控制其进行核聚变反应并释放能量。增强的磁场可显著减小带电粒子横越磁力线的扩散和导热，使高温等离子体与反应容器的壁面隔离，从而保护容器壁免受高温的侵蚀。采用托卡马克装置的磁约束技术路线，通常被认为主流的核聚变技术路线，是最有可能率先成功的方式。全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆（ITER），即采用了托卡马克装置。