什么是核聚变

核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。

原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。

如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。

聚变物理是研究原子核聚变的过程和原理以及触发机制的物理学分支；聚变能源是随着人类对清洁高效能源的追求的理想终极形态。聚变物理与聚变能源相辅相成，前者促进后者的发展，后者为前者提供研究的方向。

聚变物理是什么？核聚变又是什么？

聚变物理的出现与物理由宏观到微观的发展过程十分吻合，进入了原子的层面。聚变就是原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）时放出巨大能量的的过程。人类目前对核聚变的研究只停留在不可控聚变的层面（氢弹的应用就是核聚变），可控核聚变还在研究当中。

聚变物理的质能方程

聚变可以分别为热核聚变和冷核聚变，热核聚变需要极高的温度或超高压，让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。冷核聚变是相对于热核聚变提出的一个概念，一旦实现，能极大降低核聚变对外界环境和设备性能的苛刻要求，也能使聚变更安全。

聚变的过程

什么是聚变能源？能吃吗？

聚变能源就是聚变物理学的一个重要应用。聚变能源就是利用在适当的能提供聚变所需的条件的容器（如托卡马克）里发生聚变反应的原子因为质量亏损发出的能量推动汽轮机从而获得动能的新型能源。这可以说是人类理想能源的终极形态

因为其一地球上有无数的原子（氢原子的各种同位素），可以说一旦实现可控的核聚变，这种资源就取之不尽用之不竭了。

其二，核聚变不同于目前已经成熟的核裂变的方式，核裂变利用的是如铀235之类的放射性元素，裂变过程会残留许多核污染的废物，处理起来十分麻烦，一旦核电站出现事故，泄露的核污染是全人类的灾难，铀235等原料在地球的储量并不是很多，而且还受政治牵连。

受政治牵连的铀235

但核聚变过程同样释放巨大能量（比裂变大的多），而且反应过程中几乎不会产生放射性物质，终产物氦无毒无害，中间产物也没有辐射物，即使有极少量中子几乎也可以忽略不计，所以核聚变是零污染的。

说得这么好，核聚变目前应用了吗？核电站不就是聚变吗？

核电站用的原理是裂变，铀裂变在核电厂最常见，加热后铀原子放出2到4个中子，中子再去撞击其它原子，从而形成链式反应而自发裂变。因为人类掌握了并能创造出核裂变的条件。

但是其缺点还是明显的，就是尚未大范围可控，人们无法掌握这种反应，一旦反应温度低于临界值，反应即刻终止。核聚变所需的温度非常高，大约是太阳表面温度（1500万度，太阳内部的超高压为聚变提供了有力条件）的3到10倍。

人类目前能达到这种超高温条件的手段有两种：

激光束（利用超高功率的激光聚焦，得到超高温度，这个办法的难点就是对激光器要求非常高；目前人类实验室的强激光功率距离达到理想温度还有一定距离，而且使用一次后需要很长的时间间隔，才能产生第二次强激光，要实现连续的可控核聚变还行不通）。

粒子束（带电粒子（等离子体）在磁场中受洛伦兹力的作用而绕着磁力线运动，因而在与磁力线垂直的方向上就被约束住了。同时，等离子体也被电磁场加热，从而达到理想的温度。其中的代表装置就是磁约束装置：托卡马克）。这些技术手段要么尚未达到所需温度，要么价格昂贵，可控程度仅限于实验室范围，远远未达到商用水平。

极具未来科技感的托卡马克

核聚变是人类能源皇冠上的一颗明珠，要实现核聚变的完全可控，实现人类能源利用的最终安全高效，取之不尽用之不竭的理想，需要各种学科的共同合作（其中最重要的就是电磁学，聚变物理学还有工程学），需要众多物理学家的共同努力。只有这样，人类才能最终掌握核聚变的说明书，掌握它的奥秘钥匙。

往期专业文章：像粉丝们介绍一下我自己，我来自top2大学的工程物理系。

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