引言：衆所周知，生活質量标準是直接與能量消耗成正比的。能源的供應直接關系到食品的生産，家庭取暖和照明，工業設備的運行，公共和私人交通保障和通信保障這些人們日常生活中緊密相關的領域。所以很明顯，高質量的生活是建立在足量并且價格合理的能源供應的基礎上的。而當前世界大部分地區的能源狀況是并不樂觀的，能源的需求增長和環境的不斷惡化是能源供給矛盾中非常重要的部分。而且現已探明的化石能源隻能夠供應人類使用不超過一百年。

面對日趨緊張的能源形勢，我們明白解決能源問題需要制定不同的解決方案，而核聚變正是在這樣的背景下進入了人們的視野，相比之下，聚變能的發展潛力幾乎是無限的，在安全性，燃料儲量和環境友好度上相對于現有的其他能源類型具有無與倫比的優點。本文正是抛開新聞和論文中那些高大上的專業詞彙，從最基礎的原理講起，從而讓讀者對什麼是核聚變，為什麼會發生核聚變，為什麼選擇輕元素作為核聚變燃料等問題有深入的了解，從而讓讀者對之後聚變新聞和相關信息有着最基本的判斷和篩别。

為了讓讀者能夠更順邏輯的一步步深入了解核聚變的基本原理，本文的結構如下：

首先講述化石燃料燃燒時候的化學反應，核裂變電站以及将來核聚變電站産生能量的核反應進行比較。

接着會進一步分析核裂變反應的基本反應機制，并解釋為什麼這種機制不适合核聚變能。

從而引出一個視角，使我們認識到必須采用另外一種能夠提供大量核聚變反應能源的替代機制。

其中還會詳細講述包括氘氚反應在内的一系列聚變反應的過程。

通過對以上分析，可以得出的結論主要有：

無論是重原子的裂變，還是輕元素的結合，都會有效的産生核能。這兩種對立的能量機制是核力的性質的直接結果，核力是一種将不同元素的原子核結合在一起的力。

這些核力的行為可以通過“結合能”對原子序數的曲線方便的展現出來。

一個簡單的物理圖像解釋了結合能曲線的形狀。這個解釋說明了為什麼輕元素或者重元素是産生核能的理想來源，而位于中間的元素不是。

一.核反應與化學反應

通過對不同種類燃料的能量當量進行比較，我們很容易看出為什麼人類對産生核能的核反應有如此濃厚的興趣：

化石燃料 裂變 聚變

106t原油 = 0.8t鈾 =0.14t氘

可以看出，相同能量當量的核燃料質量要比化石燃料少10E6倍，這樣可以大大節省燃料且有利于環境保護。之所以存在如此大的差别，是因為核反應與化學反應的基礎不同。

為了弄清楚這些問題，我們先考慮化學反應。為供電或傳輸的化石燃料的燃燒過程屬于化學反應。化石燃料含有複雜的碳氫化合物。這是化學反應，因為每種元素的原子數在反應前後并未發生變化。然而由氫、碳、氧的化合物構成的反應物産物卻不同于原始燃料的化學組成。新分子的電子鍵結構不同，電子鍵的作用是使電子在适當位置上圍繞每個原子運動。控制電子行為的主要的力是電磁力，它能夠在不改變原子核的情況下重新排布電子結構。

在現在工業生産中經常見到的“燃燒反應”中，燃料的一部分化學勢能轉化成了反應産物的動能，而另外一部分就會轉化為輻射能并通過可見光的形式表現出來。所以很明顯能看出反應産物的化學勢能明顯會比燃料本身的化學勢能要低。

燃燒産生的反應産物攜帶着動能，通過粒子間的随機碰撞轉化成了熱能，而這部分熱能就可以用來産生蒸汽或者驅動汽輪機，在汽車上，通過增壓來推動汽車引擎的活塞。

而我們在這裡更關心的是如何确定每次化學反應釋放出的能量是多少。我們運用極限思維可以想到，電離是化學反應的極限，也就是說，原子或者分子在獲取了足夠的能量之後，可以使一個電子脫離原子核的束縛。實際上，化石燃料燃燒所釋放出來的能量通常要比電離能要低，所以在燃燒過程中很難出現燃料原子或分子被電離的情況，但是我們可以通過這種極限假設，我們可以估算化學反應産生能量的上限。

氫的電離勢能為13.6eV，而1eV=11600K，而化石燃料燃燒的時候通常溫度不會超過幾千K這個量級，很明顯，化學反應釋放的能量量級一般不可能達到1eV這個量級。例如汽油燃燒的過程，我們知道汽油最主要的成分是C8H18（雖然汽油是由很多種碳氫化合物組成），其燃燒的化學方程式為：

2 C8H18 25 O2 → 16CO2 18H2O 94 (eV)

在這個反應中，一共有102個原子參與燃燒反應，所以可以計算出平均每個原子釋放0.9eV左右的能量。從宏觀上來看，汽油燃燒所釋放的能量為40MJ/kg，我們在這裡就理解為，每次化學反應釋放的94eV的能量就相當于宏觀上的40MJ/kg，這個數據在之後與核反應做對比的時候需要用到。

那我們繼續考慮核反應，核反應是包括核裂變和核聚變的。核反應的過程主要有以下一些特征：

（1）參與反應的原子核的基本結構都發生了變化。從一種元素變成了另外一種元素，例如在鈾的裂變反應中，鈾就裂變成了氙和锶。

（2）原子核内的基本粒子數也就是核子數的守恒。在這個層面，我們隻考慮質子和中子的數量守恒，當然有些核反應會因為放出β射線而産生次級反應，但是這裡指的守恒是指原子核内核子總數的守恒，并不是個别種類的核子數的守恒。

核反應能量的産生于化學反應相比，其釋放的能量是巨大的，最主要的原因在于，核反應中引起反應的力不再是電磁力，而是核力。核力是一種短程力，其力的作用範圍為原子核的直徑範圍，但是核力的強度會比相同作用距離下的電磁力強的多。

核反應中能量的釋放相當于核“勢能”的減少，也等效于原子核在反應前後結合能的增加。反應後原子核總質量的輕微減少，從而原子核會因為結合能相應的增加從而更加穩定。根據愛因斯坦的質能方程E=mc2，反應前後的質量差異轉換成了能量。核反應中釋放的能量表現為生成粒子的動能或者γ射線。所以一般情況下核裂變的反應形式都可以攜程如下形式：

A1 A2 → A3 A4 … Ak 能量E

能量E為：

E = [ ( mA1 mA2 ) - ( mA3 mA4 … mAk ) ] c2

接下來，我們更加深入去探讨兩種截然不同的核反應——裂變和聚變。

二.裂變核能

通常是用慢中子（能量為室溫能量0.025eV的中子）轟擊鈾的同位素U235。實際上存在多種不同能使U235裂變的方式，從反應産物和能量釋放來看，有以下經典反應：

n U235 → Xe140 Sr94 2n E'

當然，該反應中生成的氙和锶為不穩定核素，在大約兩周的時間内通過若幹次β衰變為穩定核素，故有最終反應：

n U235 → Ce140 Zr94 2n 6e- E

可以看出，反應前後元素總質量為236.053u 和 235.832u，其中u為原子質量單位， 1u = 1.660566 ✖️ 10-27 kg。

在核反應的前後發生了部分的質量虧損，根據愛因斯坦的質能轉換關系可以得到這一部分的虧損質量能夠釋放出E=206MeV的能量，折算成每個U235的核子上，既每個U235核子能夠釋放0.88MeV的能量。釋放的這些能量換算成宏觀上為84E6MJ/kg。我們将這個數值與上文中汽油燃燒放出能量的數值相比，核反應的能量釋放達到了燃料燃燒的百萬倍量級！

那麼為什麼核裂變所釋放的能量可以轉化為實用的電能呢？主要原因有兩點：

1、觸發核裂變開始隻需要一個中子，但是每次反應卻能生成兩個中子。如果考慮所有可能發生的裂變反應，平均來說每次反應産生的中子數會更多，大約為2.4個。這種中子倍增的行為能夠維持鍊式反應，從而使換料的時間能夠延長到數年之久。

2、裂變反應由中子觸發，這是因為中子是呈現電中性的，而中子的這種電中性可以讓中子輕易的通過包圍在原子周圍的電子雲，能夠近距離的與原子核接觸和交互。電磁力對電中性的中子不起作用，因此無法通過斥力排開中子。低能中子反而能夠更容易的觸發核反應，這個特性更是可以讓核燃料能夠在較低的溫度下保持固态發生核反應，這對提升反應堆的能量平衡，經濟效益都是有好處的。

電子雲

三. 輕元素的聚變反應

1.中子觸發的輕元素的核反應

重原子裂變的途徑啟發了我們探索對于輕原子是否能夠通過慢中子轟擊來觸發鍊式反應呢？首先說答案，不能。我們要從以下方面來進行解釋。

如果我們采用中子驅動的輕元素的裂變或者聚變反應：

（1）以中子轟擊輕元素的裂變反應（以中子轟擊氘核為例）：

n D → H 2n E

單單從化學反應式上來看，确實産生了中子倍增的效果，但是，上式中的E=-2.23MeV，也就是說，這個反應不但不能輸出能量，反而要吸收能量，很顯然，這個反應不能夠作為能量的來源，其他的輕元素的裂變反應與之類似，都不能進行能量輸出。

（2）中子轟擊輕元素的聚變反應（同樣以中子轟擊氘核為例）：

n D → He3 e- E

上述反應中的E=6.27MeV，很明顯，對于能量的産能來說，這個反應是可行的，但是也有一個緻命的缺點，該反應消耗中子，一個中子觸發一次聚變反應之後，不再生成中子，沒有新的中子來源，這個反應就不能自持，所以不能自持的核聚變反應是不能作為能量的來源的。

經過前面的講述，我們明白了輕元素的裂變或者聚變都無法與重元素的裂變相比。但是上面的探究也讓我們有了新的追求方向，我們明确了兩點非常重要的信息：

1、從産能的角度來說，輕元素的裂變是吸能反應，所以我們必須選擇輕元素的聚變反應才有可能實現能量輸出；

2、我們不能依賴中子來觸發聚變反應，因為這種中子觸發的核聚變反應是消耗中子的，無法形成自持核反應。

那我們怎樣才能觸發輕元素的聚變反應呢？中子不行，我們可以嘗試着用另外一個輕元素的原子來代替中子來轟擊輕元素的原子核，也就是讓兩個輕元素的原子核發生碰撞來産生核反應。這樣的話可以通過持續供給輕元素的原子而不是中子來維持反應。

例如我們利用兩個氘原子碰撞，我們隻需要持續不斷的供應氘原子，就可能持續不斷的發生反應從而産生能量。但是這個反應依然存在着缺點，要想使兩個氘原子發生碰撞産生聚變反應，這兩個原子核的距離必須足夠近，近到原子核直徑的尺度範圍，在這麼近的距離下，兩個帶着正電荷的原子核之間的庫侖力将大的難以想象，排斥力巨大到完全可以改變氘原子的運動軌迹從而使碰撞幾率無限趨近于0。

但是，如果氘核的能量足夠高，高到可以克服這種排斥性，克服庫倫力，就可以與另外一個氘核發生碰撞并産生聚變反應，而這個能量的大小也是核聚變研究的一個重要内容。目前呢，先将注意力集中在不同類型的聚變反應能夠産生多少能量，而不考慮其有多難發生反應。

通過對多種輕元素的原子核性質的研究，找出了三類産生能量最多的反應，分别為DD反應，D-He3反應和DT反應，以下我們分别講述這三種聚變反應。

D-D反應

D-D反應就是兩個氘核之間的聚變反應，這種反應的巨大優點就是燃料成本非常低，前面說過，海水裡的氘含量為40萬億噸，燃料供應幾乎是取之不盡用之不竭，所以我們也最希望實現這種聚變反應。但是這種反應也是三種反應裡最難發生的，這是後話。D-D反應有兩個分支，兩個分支發生反應的概率差不多大：

D D → He3 n 3.27 MeV

D D → T p 4.03 MeV

從能量釋放的角度來看，兩個反應的單核子的産能分别是0.82MeV和1.01MeV，換算成宏觀上來看就是每千克氘能夠産能78E6 MJ 和 96E6 MJ .但是鑒于這個反應發生的條件非常苛刻，目前并不是研究重點。

D- He3反應

将氘核和氦3原子核聚變融合在一起發生的核反應。這個反應實現起來也很困難，難度僅次于DD反應。這個反應需要He3作為燃料，地球上并不存在天然的He3，但是月球上的He3儲量極為豐富。那麼為什麼要對這個反應這麼重視呢？我們先看反應式：

D He-3 → α p 18.3 MeV

可以看出，這個反應的反應産物都是帶電的粒子，我們其實更希望從帶電粒子身上獲得能量而不是中子，因為中子會帶來很大的材料活化和放射性損傷的問題，而通過帶電粒子，我們有可能跳過使用低效率的蒸汽循環系統而直接将核能轉化為電能。該反應釋放的能量非常大，18.3MeV相當于每個核子産能3.66MeV,即為每千克的D-He3混合燃料可以産生351E6 MJ的能量。但是，由于獲取He-3很困難，同時該反應的觸發條件也很難，依照當前的研究水平，該反應也不是聚變領域研究的重點。

月球上含有極為豐富的氦3資源

D-T反應

DT反應是将氘核與氚核碰撞而産生的核聚變反應。它是所有核聚變反應中，最容易發生的，盡管相對于重核的裂變還是困難太多。同時DT反應能夠産生大量的中子，反應過程需要維持供給氚以維持反應，地球上不存在天然的氚，并且氚具有放射性，半衰期為12.26年。盡管如此，DT反應依然是目前最容易實現的核聚變方式：

D T → α n 17.6 MeV

每個核子産能為3.52MeV,相當于每千克氘氚混合燃料能夠産能338E6 MJ。由于該反應産生中子，自然就會存在中子材料活化和損傷的問題，這個就要從已經發展多年的裂變研究中獲取經驗了，在裂變反應中，同樣面臨着高能中子帶來的相應問題，而目前已經有了部分對策，所以對于DT反應來說，中子活化和損傷的問題不重要。同樣的，氚的放射性處理也已經在裂變的經驗下一步步的推進研究，技術上難度不大。

一個比較關注的問題就是氚的供給問題，這個解決方法就是通過在反應區周圍布置包層來對氚進行增殖，能夠産氚的反應為：

Li-6 n（慢）→ α T 4.8 MeV

Li-7 n（快）→ T α n - 2.5 MeV

上述兩個反應都能夠産氚，但是Li6的産氚反應是放熱的，而Li7的産氚反應是吸熱的。天然锂裡有7.4%為Li6，92.6為Li7，在目前的設計裡，主要還是采用Li6産氚的反應來對氚進行增殖。所以現在氚的持續供給問題解決了，而锂目前的已知儲量也足夠使用幾千年，基本上也不存在燃料的問題，所以目前的聚變研發熱點就是D-T反應。

當然，我們還是最希望能夠實現DD反應以徹底解決燃料的問題。

四.聚變反應能量的分配

我們前面知道了幾種聚變反應分别放出3.27 MeV，4.03 MeV（DD），18.3 MeV（D- He3），17.6 MeV（DT）的能量，這些能量大部分都是以反應産物的動能形式表現的。特别是對于現在主流的DT反應來說，确定兩種反應産物α和中子的能量分配十分重要，因為其中一種反應産物帶電而另外一種反應産物是不帶電的。可以假設每種反應産物的能量和動量均遠高于初始态的原子核能量和動量，我們可以計算出能量在這兩個反應産物之間的分配。

相對于反應産物的速度來說，聚變反應發生前的速度可以假設為靜止，這樣聚變反應發生前後的能量和動量的守恒關系隻與反應産物有關，故有：

很容易解出：

可以看出，較輕的粒子反而攜帶了大部分的能量。對于DT反應來說，釋放的總能量為17.6MeV,反應産物為一個α粒子和一個中子，質量之比等于4。那麼α粒子的動能為E/5=3.5MeV,中子的動能為4E/5=14.1MeV。中子所獲得的能量為α粒子的4倍。所以DT反應也可以寫成下面的形式：

D T → α（3.5MeV） n（14.1MeV）

五.結合能曲線

那麼，為什麼最容易觸發核反應的元素要麼就是在重元素上，要麼就是在輕元素上，就像在整個元素周期表裡，核反應無論是聚變還是裂變，都是在兩極的元素裡發生的，在元素周期表那些中間的元素為什麼既不能發生聚變反應，也不能發生裂變反應呢？針對于以上的疑惑，我們可以從實驗測得的結合能對原子質量的曲線中得到解釋，輕元素和重元素原子核的結合力都要比中等元素的原子核結合力要弱，從這個角度可以解釋為什麼位于原子質量兩端的元素原子核更容易發生核反應。

1.結合能曲線的概念

首先來考慮一種原子核由N個中子和Z個質子組成的基本化學元素。我們觀察到，整數N Z雖然非常非常接近實驗測得的實際質量數A，但是仍然不完全等于實際實際的原子核質量數，實際上，我們比較原子核的實際質量與構成該原子核的每個粒子質量的總和，會發現：

這裡的mA=Au指的是實際核的質量。通過上面關系可以得到一個質量差，而這個質量差實際上已經轉化為使原子核結合在一起的結合能。具體來說，結合能可由下式給出：

反過來說，如果我們想将一個原子核分解為原來組成的部分，必須再加上EB的能量才能夠完成。為了使用方便，我們通常使用EB/A來表示原子核的每個核子的平均結合能。

舉個例子，計算元素氟的每個核子的結合能。元素氟的N=10，Z=9，而A=18.99840約等于19.而相關的單個核子的質量為：中子質量為1.00866u，質子質量為1.00728u，mA=18.99840u。所以可以計算出相應的質量差Nmn Zmp-mA=0.154u，帶入上述結合能計算公式可得EB=143MeV,EB/A=7.5MeV/核子。可以看出，原子核能讓粒子結合在一起的能量是非常大的。

上面這個計算可以用來計算所有的元素的結合能，然後将相應的計算結果畫成單位核子結合能關于原子質量數的曲線。如下圖所示：

從圖中可以看出，輕元素和重元素的EB/A都很小，而處在中間位置的鐵元素的單位核子的結合能達到了最大值。從而我們可以得出結論：相對于中間位置上的核素，輕元素和重元素将核子結合在一起的核力要較弱。因此，輕元素和重元素才能更容易觸發核反應。

結語：以上對核聚變的基本原理進行了深入淺出的讨論和闡釋。化石燃料燃燒過程中發生的化學反應與反應分子的電子結構的重新排布有關系，其主要過程是受電磁力的支配。而核反應無論是裂變還是聚變，都涉及到原子層面的交互，最初的燃料均會轉化成其他的化學元素，過程是受核力的主導的，所釋放的能量也是遠遠大于化學反應的能量，能夠達到百萬倍的能量增益。

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