日期:2022/10/09 IAE
核聚變，輕元素之間的核反應形成較重元素（直至鐵）的過程。 如果相互作用的原子核屬於低原子序數的元素（例如氫 [原子序數 1] 或其同位素氘和氚），則會釋放大量能量。 核聚變的巨大能量潛力首先被用於熱核武器或氫彈，這些武器是在二戰後的十年中開發的。 有關這一發展的詳細歷史，請參閱核武器。 同時，核聚變的潛在和平應用，特別是考慮到地球上基本上無限供應的聚變燃料，鼓勵了利用這一過程生產電力的巨大努力。 有關這項工作的更多詳細信息，請參閱聚變反應堆。
本文重點關注聚變反應的物理學以及實現持續產生能量的聚變反應的原理。
聚變反應
聚變反應構成了包括太陽在內的恆星的基本能源。 恆星的演化可以看作是通過不同階段的通道，因為熱核反應和核合成會導致長時間跨度的成分變化。 氫（H）“燃燒”引發恆星的聚變能源並導致氦（He）的形成。 實際使用的聚變能量的產生還依賴於燃燒形成氦的最輕元素之間的聚變反應。 事實上，氫的重同位素——氘 (D) 和氚 (T)——彼此反應的效率更高，而且，當它們發生聚變時，它們每次反應產生的能量比兩個氫核要多。 （氫核由一個質子組成。氘核有一個質子和一個中子，而氚核有一個質子和兩個中子。）
輕元素之間的聚變反應，如分裂重元素的裂變反應，釋放能量是因為核物質的一個關鍵特徵稱為結合能，它可以通過聚變或裂變釋放。原子核的結合能是其組成核子結合在一起的效率的量度。舉個例子，一個元素的原子核中有 Z 個質子和 N 個中子。元素的原子量 A 為 Z + N，其原子序數為 Z。結合能 B 是與分開考慮的 Z 個質子和 N 個中子之間的質量差相關的能量，以及結合在一起的核子 (Z + N) 在 a質量為 M 的原子核。公式為
B = (Zmp + Nmn - M)c2,
其中 mp 和 mn 是質子和中子質量，c 是光速。已通過實驗確定，在原子質量數約為 60 時，每個核子的結合能最大值約為 1.4 10-12 焦耳，即大約為鐵的原子質量數。因此，比鐵輕的元素的融合或重元素的分裂通常會導致能量的淨釋放。
兩種類型的聚變反應
聚變反應有兩種基本類型：（1）保留質子和中子數量的那些，以及（2）涉及質子和中子之間轉換的那些。 第一類反應對於實際的聚變能量產生最為重要，而第二類反應對於恆星燃燒的開始至關重要。 任意元素用符號 AZX 表示，其中 Z 是原子核的電荷，A 是原子量。 實際能量產生的一個重要聚變反應是氘和氚之間的聚變反應（D-T聚變反應）。 它產生氦（He）和一個中子（n），寫成
D + T → He + n。
箭頭左側（反應前）有兩個質子和三個中子。 右邊也是如此。
另一個引發恆星燃燒的反應涉及兩個氫核聚變形成氘（H-H聚變反應）：
H + H → D + β + + ν，
其中 β + 代表正電子，ν 代表中微子。在反應之前有兩個氫核（即兩個質子）。之後有一個質子和一個中子（結合在一起作為氘核）加上一個正電子和一個中微子（由一個質子轉化為中子而產生）。
這兩種聚變反應都是放能的，因此會產生能量。出生於德國的物理學家漢斯·貝特（Hans Bethe）在 1930 年代提出，H-H 聚變反應可以在淨釋放能量的情況下發生，並與隨後的反應一起提供維持恆星的基本能源。然而，實際的能量產生需要 D-T 反應，原因有兩個：第一，氘和氚之間的反應速率遠高於質子之間的反應速率；其次，D-T 反應釋放的淨能量是 H-H 反應的 40 倍。
聚變反應釋放的能量
如果所得粒子的總質量小於初始反應物的質量，則在核反應中釋放能量。為了說明，假設兩個原子核，標記為 X 和 a，反應形成另外兩個原子核，Y 和 b，表示為
X + a → Y + b。
粒子 a 和 b 通常是核子，質子或中子，但通常可以是任何核子。假設沒有一個粒子是內部激發的（即每個粒子都處於其基態），則稱為該反應的 Q 值的能量定義為
Q = (mx + ma - mb - my)c2,
其中 m 字母是指每個粒子的質量，c 是光速。當能量值Q為正時，反應是放能的；當 Q 為負時，反應是吸能的（即吸收能量）。當總質子數和總中子數在反應前後都保持不變時（如在 D-T 反應中），則 Q 值可以用每個粒子的結合能 B 表示為
Q = By + Bb - Bx - Ba。
D-T 融合反應的正 Q 值為 2.8 × 10-12 焦耳。 H-H 聚變反應也是放能的，Q 值為 6.7 × 10-14 焦耳。 為了理解這些數字，人們可能會認為一公噸（1,000 公斤，或近 2,205 磅）的氘將包含大約 3 × 1032 個原子。 如果通過與氚的聚變反應消耗一噸氘，則釋放的能量將是 8.4 × 1020 焦耳。 這可以與一噸煤的能量含量相比，即 2.9 × 1010 焦耳。 換句話說，一噸氘的能量相當於大約 290 億噸煤。
聚變反應的速率和產率
原子核之間反應的能量產率和這種反應的速率都很重要。 這些量在諸如核天體物理學和核能產生電能的潛力等科學領域具有深遠的影響。
當一種類型的粒子通過相同或不同類型的粒子集合時，粒子相互作用的可能性是可測量的。粒子可能以多種方式相互作用，例如簡單的散射，這意味著它們會改變方向並交換能量，或者它們可能會發生核聚變反應。粒子相互作用的可能性的度量稱為橫截面，橫截面的大小取決於相互作用的類型以及粒子的狀態和能量。目標粒子的橫截面與原子密度的乘積稱為宏觀橫截面。宏觀橫截面的倒數特別值得注意，因為它給出了入射粒子在與目標粒子相互作用之前將行進的平均距離；這種逆測量稱為平均自由程。通過在給定能量下產生一個粒子束來測量橫截面，使該束與由相同或不同材料製成的（通常很薄的）目標相互作用，並測量偏轉或反應產物。通過這種方式，可以確定一種聚變反應與另一種聚變反應的相對可能性，以及特定反應的最佳條件。
聚變反應的橫截面可以通過實驗測量或從理論上計算，並且已經在很寬的粒子能量範圍內為許多反應確定了它們。它們以實際的聚變能應用而聞名，並且在恆星演化方面也相當有名，儘管存在差距。原子核之間的聚變反應，每個都帶有一個或多個正電荷，對於實際應用和恆星燃燒階段輕元素的核合成來說都是最重要的。然而，眾所周知，兩個帶正電的原子核相互排斥，即它們受到的排斥力與分離它們的距離的平方成反比。這種排斥稱為庫侖勢壘（參見庫侖力）。除非它們有足夠的能量來克服庫侖勢壘，否則兩個正原子核不太可能靠得足夠近而發生聚變反應。因此，帶電粒子之間的聚變反應截面非常小，除非粒子的能量很高，至少為 104 電子伏特（1 eV ≅ 1.602 × 10-19 焦耳），通常超過 105 或 106 eV。這就解釋了為什麼恆星的中心必須很熱才能使燃料燃燒，以及為什麼實際聚變能源系統的燃料必須加熱到至少 50,000,000 開爾文（K；90,000,000 °F）。只有這樣，才能實現合理的聚變反應速率和功率輸出。
庫侖勢壘現像也解釋了核聚變和核裂變產生能量的根本區別。 雖然重元素的裂變可以由質子或中子誘導，但實際應用的裂變能量的產生依賴於中子在鈾或钚中誘導裂變反應。 沒有電荷，中子可以自由進入原子核，即使它的能量對應於室溫。 聚變能量依賴於輕原子核之間的聚變反應，只有當粒子具有足夠的能量以克服庫侖排斥力時才會發生。 這需要產生氣態反應物並將其加熱到稱為等離子體狀態的高溫狀態。
等離子態
通常，等離子體是一種氣體，其組成原子或分子的相當一部分通過它們的一個或多個電子的解離而離子化。 這些自由電子使等離子體能夠傳導電荷，而等離子體是唯一能夠以自持方式發生熱核反應的物質狀態。 天體物理學和磁聚變研究以及其他領域需要廣泛了解氣體在等離子體狀態下的行為。 恆星、太陽風和大部分星際空間都是物質處於等離子體狀態的例子。 非常高溫的等離子體是完全電離的氣體，這意味著中性氣體原子與帶電粒子的比例很小。 例如，氫的電離能為 13.6 eV，而 50,000,000 K 等離子體中氫離子的平均能量為 6,462 eV。 因此，基本上該等離子體中的所有氫都將被電離。
通過考慮等離子體中的粒子與任何氣體中的粒子具有能量分佈這一事實，可以獲得更適合等離子體狀態的反應速率參數。也就是說，並非所有粒子都具有相同的能量。在簡單等離子體中，這種能量分佈由麥克斯韋-玻爾茲曼分佈定律給出，氣體或等離子體的溫度在比例常數內是平均粒子能量的三分之二；即，平均能量 E 和溫度 T 之間的關係是 E = 3kT/2，其中 k 是玻爾茲曼常數，8.62 × 10−5 eV/開爾文。等離子體中核聚變反應的強度是通過在對應於麥克斯韋-玻爾茲曼分佈的速度分佈上平均粒子速度及其橫截面的乘積得出的。反應的橫截面取決於粒子的能量或速度。對於給定的反應，平均過程產生一個函數，該函數僅取決於溫度，可以表示為 f(T)。在兩種物質 a 和 b 之間的反應中釋放的能量速率（即釋放的功率）為
Pab = nanbfab(T)Uab,
其中 na 和 nb 分別是等離子體中物質 a 和 b 的密度，Uab 是每次 a 和 b 發生聚變反應時釋放的能量。參數 Pab 適當地考慮了給定反應的速率和每個反應的能量產率
恆星的聚變反應
聚變反應是恆星的主要能源和輕元素核合成的機制。在 1930 年代後期，Hans Bethe 首次認識到氫核聚變形成氘是放熱的（即淨釋放能量），並與隨後的核反應一起導致氦的合成。氦的形成是普通恆星發出的主要能量來源，例如太陽，其燃燒核心等離子體的溫度低於 15,000,000 K。然而，由於形成恆星的氣體通常含有一些較重的元素，特別是碳 (C) 和氮 (N)，重要的是要包括質子和這些原子核之間的核反應。最終產生氦的質子之間的反應鍊是質子-質子循環。當質子也誘導碳和氮的燃燒時，必須考慮CN循環；並且，當包括氧氣 (O) 時，還必須考慮另一種替代方案，即 CNO 雙循環。 （見碳循環。）
僅含氫的恆星中的質子-質子核聚變循環始於反應
H + H → D + β+ + ν； Q = 1.44 MeV，
其中 Q 值假設正電子被電子湮滅。氘可以與其他氘核反應，但是，因為有這麼多的氫，D/H 比保持在非常低的值，通常為 10-18。因此，下一步是
H + D → 3He + γ； Q = 5.49 MeV，
其中 γ 表示伽馬射線帶走了一些能量產量。然後，氦 3 同位素的燃燒通過鏈中的最後一步產生普通的氦和氫：
3He + 3He → 4He + 2(H); Q = 12.86 MeV。
在平衡狀態下，氦 3 主要通過與自身的反應燃燒，因為它與氫氣的反應速率很小，而與氘的燃燒由於氘濃度非常低而可以忽略不計。一旦氦 4 積累起來，如果溫度高於約 10,000,000 K，與氦 3 的反應會導致產生更重的元素，包括鈹 7、鈹 8、鋰 7 和硼 8 .