从小白到行家，系统认识核聚变物理与核聚变实验装置（一)序章

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

关于科普，零敲碎打的看一些科普文章或视频，被带节奏，搞得晕晕乎乎，不如自己原原本本从教材中汲取营养。

关于核聚变这个话题，从今天开始，我以四本教材为基础，分章节系统介绍核聚变基础物理知识及聚变工程，在此过程中，我会将这一问题的探讨深度和难度放在定性与定量之间，只涉及少量非涉及不可的公式。

这样做的目的是想让你能够在核聚变这个问题上有一个更加进阶和系统全面自主的认识，但又能尽量避免限入专业艰深的数学模型和分析中。

《聚变能及其应用》一书是给在等离子体所的年轻科研人员和博士生授课教材的基础上撰写而成的。主要反映20年聚变裂变混合堆的进展及 ITER 设计的进展。

《磁约束等离子体实验物理》、《磁约束聚变原理与实践》主要介绍磁约束聚变的原理、等离子体位形和实验装置。相关作者从事核聚变研究几十年，书中内容严谨详细，定性部分讲的比较过瘾。

《等离子体物理与聚变能》曝光度比较高，作者杰弗里·弗莱德伯格（名誉）教授（Jeffrey P. Freidberg）曾任麻省理工学院核科学与工程系系主任，该书基于麻省理工学院关于等离子体物理学和聚变能量的研究生课程的一系列课程笔记撰写。（说实话，就这本书而言，老外书中的语句其实没有咱中国人严谨）

总之，这四本书是介绍高温等离子体、核聚变及其装置方面的权威书籍，作者都是长期从事此方面工作的理论和实验专家，咱们就学起来吧，立个flag，开好头收好尾，希望我的更新不要太监了。

先开个头：人类为什么要发展受控核聚变？

现有的能源方式撑不了多少年

人无远虑、必有近忧。对整个人类来说，对能源的利用方式与文明的发展息息相关，考虑百年、千年甚至万年、百万年以后人类的能源问题，就如同你个人考虑下个10年、20年自己干点啥一样现实和必要。

看看上面这张表，石油、天然气、煤等化学能和天然铀的裂变，所能提供的能量可以说是有生之年的事，即使煤稍微长点，但通过烧煤获取能源面临着越来越受重视的碳排放问题，所以，光伏、下一代核裂变反应堆、核聚变将是必须要研究和推进的能源获取方式。

光伏，不必多说，虽然也可以说是取之不尽，但靠天吃饭、被动获取，技术的迭代很快，但从科学上来讲，没有太多新鲜事。

下一代核裂变反应堆（增殖堆）可以撑3万年，这个还可以，甚至发展它，当下比发展核聚变更有现实意义和收益，具体的细节留坑到后面讲。

受控核聚变，对其掌握程度与人类是否完全驾驭强核力、了解热核等离子体，是否迈入更高阶段文明直接挂钩，也是我们讨论的主题。

核反应与化学反应

通过上图，不同种类燃料的能量当量进行比较，就可以看出人类为什么对聚变能感兴趣了。

化学能的获取，或者说化学反应过程中，每种元素的原子量（质子加中子的总数）是不变的，产生变化的是化学键，也就是原子中的电子结构发生了重新排布，所以化学能本质上是电磁能，其能量都在eV（1电子伏特）级。

比如，上面是汽油中主要成份完全燃烧时的反应式，碳、氢、氧的原子量和原子个数都没有发生变化。

注意，化学反应中的质量守恒是一种近似，实际上，过程前后也是有质量变化或质量亏损的，其转换关系同样遵循质能方程（E=MC平方），只不过非常微小，所以通常忽略不计。

而核反应（包括裂变、聚变、衰变）是原子内部质子与中子重新组合变化的过程（伴随着重组和质子、中子的相互转变），其反应释放的能量都在MeV（兆电子伏特）级别，能量来源于核子质量的亏损，产生的新核的总质量要小于反应前旧核的总质量。

同时，反应中巨大的能量释放往往让电子发生电离或释放巨大的能量（频率极高的电磁波，比如伽马射线）。

聚变能是人类的未来

更进一步，聚变能是原子核内部强核力结构发生变化时产生的能量，来源于轻核合并为重核时的质量亏损，原因是合并后一部分强核力媒介粒子（介子）被新合成核抛弃，这如同两个公司合并，一部分员工被炒鱿鱼一样，一部分强核力媒介粒子被抛弃了。

氘氚聚变是目前一阶段人类受控核聚变发电工程的主要燃料方案（后面会讲为什么），所用到的燃料在地球上几乎取之不尽。

1、首先是氢的同位素氘 ，它储于水中 。一升海水中的氘通过聚变反应可释放出相当于燃烧 ３００L 汽油的能量 。地球上储存有十分丰富的聚变能资源 。氘在天然氢中占１／６７００ ，可计算出 ，每立方米水中含氘量为 ３３g 。地球上的海水中所含的氘 ，如果用于氘氘聚变反应堆 ，可供人类使用上亿年 ，但是这种反应堆离实现还太遥远 ，比较现实的还是氘氚聚变反应堆。

2、氚在地球上含量极少，衰变时间短（约为12.5年），主要以人工制造为主。

主要的生产方法是通过中子照射锂产生（反应式如上图，中子与锂反应生成氚和氦）。

锂在地球上有比较丰富的储量 ，锂在地壳中的含量为0.002％，主要以锂辉石、锂云母、锂蒙脱石、透锂长石等矿物形式存在，某些盐湖也是重要的锂来源，据美国地质调查局（ＵＳＧＳ）截至2019年底的统计，全球已探明锂矿储量1400万-1700万吨左右（锂矿资源量8000万吨）。

我国可采锂的储量超过数百万吨（2020年探明锂矿储量为450万吨） 。以每个锂核转换一个氚核为条件 ，每 １００ 吨锂用于氘氚聚变电站可产生 ２ ．８ 万亿度电能 ，２０５０ 年我们预期发电量为 ９７２０ 亿度电 ，相当于 ３０ 余吨锂 。粗略估计足够用上几千年 。而海水中蕴藏的锂比陆地上至少多一个量级（约为2300亿吨），如此类推 ，应该说锂资源也不是问题 。（2008年该书的说法，并没有考虑到如今锂电池汽车及锂储能对锂资源的急剧消耗，具体请看下我前面一篇关于锂的文章。）

讲完了，欢迎关注浏览我的其他文章。

原标题：《从小白到行家！系统认识核聚变物理与核聚变实验装置（一)--序章》

阅读原文