可控核聚变

受控核聚变是一种拟议的发电形式，它将通过利用核聚变反应产生的热量发电。

在核聚变中，两个较轻的核子结合成一个较重的核子，同时释放出能量。旨在利用这种能量的设备被称为聚变反应堆。

对核聚变反应堆的研究始于20世纪40年代，但截至2022年，只有一种设计，即点火设施的惯性约束激光驱动的核聚变机，已经确凿地产生了一个正的核聚变能量增益系数，即输出的能量多于输入的能量。

核聚变过程需要燃料和一个具有足够温度、压力和封闭时间的封闭环境，以创造一个能够发生核聚变的等离子体。这些数字的组合导致了一个动力生产系统，被称为劳森标准。在恒星中，最常见的燃料是氢，而重力提供了实现聚变能源生产所需条件的极长约束时间。

拟议的核聚变反应堆通常使用重氢同位素，如氘和氚（特别是两者的混合物），它们比氕（最常见的氢同位素）更容易反应，以使它们在不太极端的条件下达到劳森标准。

大多数设计的目标是将其燃料加热到1亿度左右，这对产生一个成功的设计是一个重大挑战。

作为一种动力源，核聚变预计将比裂变有许多优势。这些优势包括减少运行中的放射性，几乎没有高水平的核废料，燃料供应充足，以及增加安全性。然而，事实证明，温度、压力和持续时间的必要组合很难以实用和经济的方式产生。影响普通反应的第二个问题是管理反应期间释放的中子，随着时间的推移，中子会使反应室中使用的许多普通材料退化。

聚变研究人员已经研究了各种约束概念。早期的重点是三个主要系统：Z-宾奇、恒星仪和磁镜。目前领 先的设计是托卡马克和激光惯性约束（ICF）。这两种设计都在进行大规模的研究，最引人注目的是法国的ITER托卡马克和美国的点火设施（NIF）的激光。研究人员还在研究其他可能提供更便宜方法的设计。在这些替代方案中，人们对磁化目标核聚变和惯性静电约束，以及恒星仪器的新变化越来越感兴趣。

当两个或更多的核子接近到足以使拉拢它们的核力超过推开它们的静电力时，核聚变反应就会发生，导致它们融合成更重的核子。对于比铁-56重的核，该反应是内热的，需要输入能量。比铁重的核有许多质子，导致更大的排斥力。对于比铁-56轻的核，该反应是放热的，在它们融合时释放能量。由于氢在其原子核中只有一个质子，它需要最少的努力来实现核聚变，并产生最多的净能量输出。此外，由于它有一个电子，氢气是最容易完全电离的燃料。

强力只在短距离内起作用（最多1飞米，即质子或中子的直径），而核之间的排斥性静电力则在较长距离内起作用。为了进行核聚变，需要给予燃料原子足够的动能，使其相互靠近，以便强力能够克服静电排斥力。使燃料原子足够接近所需的动能量被称为库仑屏障。提供这种能量的方法包括在粒子加速器中加快原子的速度或将它们加热到高温。

一旦一个原子被加热到超过其电离能，其电子就会被剥离。由此产生的裸核被称为离子。这种电离产生了一团热的离子和之前附着在它们身上的自由电子，称为等离子体。

由于电荷被分离，等离子体是导电的，并且是可磁化的。许多核聚变装置利用了这一点，在粒子被加热时对其进行限制。

A反应的横截面，表示为σ，衡量发生聚变反应的概率。它取决于两个核子的相对速度。较高的相对速度通常会增加概率，但在非常高的能量下，概率又开始下降。

在等离子体中，粒子的速度可以用一个概率分布来描述。如果等离子体被热化，该分布看起来像高斯曲线，或麦克斯韦-波尔茨曼分布。