核聚变（核反应形式）
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核聚变
核反应形式
核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。核是指由质量小的原子，主要是指氘，在一定条件下（如超高温和高压），只有在极高的温度和压力下才能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。这是一种核反应的形式。
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。核聚变是核裂变相反的核反应形式。科学家正在努力研究可控核聚变，核聚变可能成为未来的能量来源。核聚变燃料可来源于海水和一些轻核，所以核聚变燃料是无穷无尽的。 人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。
| 中文名 | 核聚变 |
| 外文名 | Nuclear fusion |
| 适用领域 | 核能 |
| 所属学科 | 核物理 |
| 别名 | 核融合/融合反应/聚变反应 |
起源
核聚变程序于1932年由澳洲科学家马克·欧力峰（英语：MarkOliphant）所发现。随后于1950年代早期，他在澳洲国立大学（ANU）成立了等离子体核聚变研究机构（FusionPlasmaResearch）。
原理
氘、氚核聚变示意图核聚变，即轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）时放出巨大能量。因为化学是在分子、原子层次上研究物质性质，组成，结构与变化规律的科学，而核聚变是发生在原子核层面上的，所以核聚变不属于化学变化。
热核反应，或原子核的聚变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的轻原子核，如氢（氕）、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应（参见核聚变）。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，即可实现受控热核反应。这正是在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。
冷核聚变是指：在相对低温（甚至常温）下进行的核聚变反应，这种情况是针对自然界已知存在的热核聚变（恒星内部热核反应）而提出的一种概念性‘假设’，这种设想将极大的降低反应要求，只要能够在较低温度下让核外电子摆脱原子核的束缚，或者在较高温度下用高强度、高密度磁场阻挡中子或者让中子定向输出，就可以使用更普通更简单的设备产生可控冷核聚变反应，同时也使聚核反应更安全。
类型
电解水H2O生成H2，通过核裂变产生的高能辐射蒸汽压缩氢气（H2），这时的氢气成为离子状态，辐射蒸汽压缩H，两个H核核聚变生成一个He核，放出巨大的能量。一般在超高温和超高压封闭环境下进行。
一个D（氘）和T（氚）发生聚变反应会产生一个中子，并且释放17.6MeV的能量（两个D（氘）发生聚变反应大约放出14.1MeV能量），中子对于人体和生物都非常危险。其核反应方程式为
聚变反应中子的麻烦之处在于中子可以跟反应装置的墙壁发生核反应。用一段时间之后就必须更换，很费钱。而且换下来的墙壁可能有放射性（取决于墙壁材料的选择），成了核废料。还有一个不好的因素是氚具有放射性，而且氚也可能跟墙壁反应。
氘氚聚变只能算”第一代”聚变，优点是燃料便宜，缺点是有中子。
“第二代”聚变是氘和氦3反应。这个反应本身不产生中子，但其中既然有氘，氘氘反应也会产生中子，可是总量非常非常少。如果第一代电站必须远离闹市区，第二代估计可以直接放在市中心。
“第三代”聚变是让氦3跟氦3反应。这种聚变完全不会产生中子。这个反应堪称终极聚变。
反应条件
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。
太阳的能量来自它中心的热核聚变实现方式
通常有三种方式来产生核聚变：
1.重力场约束；2.惯性约束；3.磁约束。
其中主要的可控核聚变方式：
激光约束（惯性约束）核聚变（如我国的神光计划，美国的国家点火计划都是这种形式）
磁约束核聚变（托卡马克、仿星器、磁镜、反向场、球形环等），这种方式被认为是最有前途的。
应用
发生条件
产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。我们的太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热，其中心温度达到1500万摄氏度，另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应，而地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，不过这样一来温度要到上亿度才行。核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受，只能靠强大的磁场来约束。由此产生了磁约束核聚变。
对于惯性核聚变，核反应点火也成为问题。不过在2010年2月6日，美国利用高能激光实现核聚变点火所需条件。中国也有“神光2”将为我国的核聚变进行点火。
EAST全超导非圆截面核聚变实验装置反应装置
可行性较大的可控核聚变反应装置是托卡马克装置。
托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。
托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。
我国也有两座核聚变实验装置。
优劣势
优势
（1）核聚变释放的能量比核裂变更大
（2）无高端核废料，可不对环境构成大的污染
（3）燃料供应充足，地球上重氢有10万亿吨（每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油）
国际热核聚变实验堆装置示意图核聚变能利用的燃料是氘（D）和氚。氘在海水中大量存在。海水中大约每6500个氢原子中就有一个氘原子，海水中氘的总量约45万亿吨。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。按世界消耗的能量计算，海水中氘的聚变能可用几百亿年。氚可以由锂制造。锂主要有锂-6和锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后，可以变成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多，也有两千多亿吨。用它来制造氚，足够用到人类使用氘、氘聚变的年代。因此，核聚变能是一种取之不尽用之不竭的新能源。
在可以预见的地球上人类生存的时间内，水的氘，足以满足人类未来几十亿年对能源的需要。从这个意义上说，地球上的聚变燃料，对于满足未来的需要说来，是无限丰富的，聚变能源的开发，将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。六十多年来科学家们不懈的努力，已在这方面为人类展现出美好的前景。
氘是相当丰富的氢同位素，在海洋中每6500个氢原子就有1个氘原子，这意味着海洋是极大量氘的潜在来源。仅在1L海水中就有1.03×10^22个氘原子，就是说每1Km3海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧13600亿桶原油的能量，这个数字约为地球上蕴藏的石油总储量。经过计算，1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。
劣势
EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置反应要求与技术要求极高。
从理论上看，用核聚变提供部分能源，是非常有益的。但人类还没有办法，对它们进行较好的利用。
（对于核裂变，由于原料铀的储量不多，政治干涉很大，放射性与危险性大，核裂变的优势无法完全利用。截至2006年，核能（核裂变能）发电占世界总电力约15%。说明了核裂变的应用的规模之大，更能说明优势比核裂变更大的核聚变能源前景更加光明。科学家们估计，到2025年以后，核聚变发电厂才有可能投入商业运营。2050年前后，受控核聚变发电将广泛造福人类。）
控制方法
主要的几种可控核聚变方式：
研究进展
中国新一代热核聚变装置EAST2010年9月28日首次成功完成了放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。
负责这一项目的中国科学院等离子体所所长李建刚研究员说，此次实验实现了装置内部1亿度高温，等离子体建立、圆截面放电等各阶段的物理实验，达到了预期效果。
EAST装置是中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的。
美、法等国在20世纪80年代中期发起了耗资46亿欧元的国际热核实验反应堆（ITER）计划，旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，为人类输送巨大的清洁能量。这一过程与太阳产生能量的过程类似，因此受控热核聚变实验装置也被俗称为“人造太阳”。
中国于2003年加入ITER计划。位于安徽合肥的中科院等离子体所是这个国际科技合作计划的国内主要承担单位，其研究建设的EAST装置稳定放电能力为创记录的1000秒，超过世界上所有正在建设的同类装置。
EAST大科学工程总经理万元熙教授说，与ITER相比，EAST在规模上小很多，但两者都是全超导非圆截面托卡马克，即两者的等离子体位形及主要的工程技术基础是相似的，而EAST至少比ITER早投入实验运行10至15年。
据科技日报2014年10月17日消息，美国老牌军工巨头洛克希德马丁公司近日宣布，其已在开发一种基于核聚变技术的能源方面取得技术突破，第一个小至可安装在卡车后端的小型反应堆有望在十年内诞生。
从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。
核聚变与核裂变区别
概念不同
1、核裂变
核裂变，又称核分裂，是指由重的原子核（主要是指铀核或钚核）分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。
原子弹或核能发电厂的能量来源就是核裂变。其中铀裂变在核电厂最常见，热中子轰击铀-235原子后会放出2到4个中子，中子再去撞击其它铀-235原子，从而形成链式反应。
2、核聚变
核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。核是指由质量小的原子，主要是指氘，在一定条件下（如超高温和高压），只有在极高的温度和压力下才能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。
原理不同
1、核裂变
裂变释放能量是与原子核中质量－能量的储存方式有关。从最重的元素一直到铁，能量储存效率基本上是连续变化的，所以，重核能够分裂为较轻核(到铁为止)的任何过程在能量关系上都是有利的。如果较重元素的核能够分裂并形成较轻的核，就会有能量释放出来。
然而，很多这类重元素的核一旦在恒星内部形成，即使在形成时要求输入能量(取自超新星爆发)，它们却是很稳定的。不稳定的重核，比如铀-235的核，可以自发裂变。
快速运动的中子撞击不稳定核时，也能触发裂变。由于裂变本身释放分裂的核内中子，所以如果将足够数量的放射性物质(如铀-235)堆在一起，那么一个核的自发裂变将触发近旁两个或更多核的裂变，其中每一个至少又触发另外两个核的裂变，依此类推而发生所谓的链式反应。
这就是称之为原子弹(实际上是核弹)和用于发电的核反应堆(通过受控的缓慢方式)的能量释放过程。
2、核聚变
核聚变，即轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）时放出巨大能量。因为化学是在分子、原子层次上研究物质性质，组成，结构与变化规律的科学，而核聚变是发生在原子核层面上的，所以核聚变不属于化学变化。
起源不同
1、核裂变
莉泽·迈特纳（Lise Meitner）和奥托·哈恩（Otto Hahn）同为德国柏林威廉皇帝研究所（Kaiser Wilhelm Institute）的研究员。
作为放射性元素研究的一部分，迈特纳和哈恩曾经奋斗多年创造比铀重的原子（超铀原子）。用游离质子轰击铀原子，一些质子会撞击到铀原子核，并粘在上面，从而产生比铀重的元素。这一点看起来显而易见，却一直没能成功。
他们用其他重金属测试了自己的方法，每次的反应都不出所料，一切都按莉泽的物理方程式所描述的发生了。可是一到铀，这种人们所知的最重的元素，就行不通了。整个20世纪30年代，没人能解释为什么用铀做的实验总是失败。
从物理学上讲，比铀重的原子不可能存在是没有道理的。但是，100多次的试验，没有一次成功。显然，实验过程中发生了他们没有意识到的事情。他们需要新的实验来说明游离的质子轰击铀原子核时究竟发生了什么。
最后，奥多想到了一个办法：用非放射性的钡作标记，不断地探测和测量放射性的镭的存在。如果铀衰变为镭，钡就会探测到。
2、核聚变
核聚变程序于1932年由澳洲科学家马克·欧力峰（Mark Oliphant）所发现。随后于1950年代早期，他在澳洲国立大学（ANU）成立了等离子体核聚变研究机构（FusionPlasmaResearch）。
核武器
原子弹核武器是指利用能自持进行核裂变或聚变反应释放的能量，产生爆炸作用，并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称。其中主要利用铀235（或钚239等重原子核的裂变链式反应原理制成的裂变武器，通常称为原子弹；主要利用重氢（dao H，氘）或超重氢（chuan H，氚）等轻原子核的热核反应原理制成的热核武器或聚变武器，称为氢弹。
原子弹（Atomic bomb）是核武器之一，是利用核反应的光热辐射、冲击波和感生放射性造成杀伤和破坏作用，以及造成大面积放射性污染，阻止对方军事行动以达到战略目的的大杀伤力武器。主要包括裂变武器（第一代核武，通常称为原子弹）和聚变武器（亦称为氢弹，分为两级及三级式）。亦有些还在武器内部放入具有感生放射的氢元素，以增大辐射强度扩大污染，或加强中子放射以杀伤人员。
怎么储存原子弹
一般来说，原子弹的储存首先要绝对防止发生临界反应，要进行物理保护，使分开的铀燃料没有聚集的可能，这就要拆除引爆装置；其次要绝对防止水的侵入（如雨水、河水、海水、地下水、自来水等），因为核燃料遇水浸泡后，水充当慢化剂，有可能诱发核反应；第三是温湿度控制和防止人为破坏；第四要有健全的监控系统、自动报警系统等。 但没有必要特别防护辐射，因为自然状态的核燃料辐射极小，对人体无害。
运输核弹可用载重汽车、专列火车、飞机等交通工具，除了类似上述储存的要求外，还要保证运输中核弹固定牢固、装核弹的容器（一般是坚固的特质刚制作）能经住10米高跌摔，路面要平整，还要沿路警戒，跟车警卫等。
一般是弹体和核弹头分开运输，到基地洞库里后再组装起来。在中国，核武器的运输和储存都颁布有专门的国家标准给以严格而细致地要求。
参考资料
1.中国可控核聚变世界领先 实现最高温度5500万度·腾讯新闻
2.美国“人造太阳”核聚变装置输出超大创纪录能量·中国青年网
