碰撞到一起，发生原子核的互相聚合作用，生成新的质量更重的原 子核（如氦）的反应。核聚变是核裂变相反的核反应形式。由于核 聚变反应温度极高，目前尚无容器能够承受，因此科学家正在努力 研究可控核聚变，使核聚变成为未来的主要能量来源。
目录
核聚 变反应原理 磁 约 束 核 聚 变 原理 核聚变能源的优势 磁约束核聚变的未 来展望
Magnetic confinement fusion
磁 约束核聚 变
原 理与发展 前沿 理科生环地 林楠
人类的------人造太阳梦
热核聚变 前言
核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应或聚变反应，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）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
克装置的核心就是磁场，要产生磁场就要用线圈，就要通电，有线圈就有导线，有导线就有电阻。
托卡马克装置越接近实用就要越强的磁场，就要给导线通过越大的电流，这个时候，导线里的电
阻就出现了，电阻使得线圈的效率降低，同时限制通过大的电流，不能产生足够的磁场。托卡马
克貌似走到了尽头。幸好，超导技术的发展使得托卡马克峰回路转，只要把线圈做成超导体，理
成环形。
后来又改进为呈8字形的圆环形磁 5 力线管。实验上现最有成效的磁
约束装置仍然是托卡马克装置。
托卡马克的前世今生
为实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁 场的装置，这种装置就被称作“托克马克装置”—— TOKAMAK，也就是俄语中是由“环形”、“真空”、 “磁”、“线圈”的字头组成的缩写。早在1954年，在原 苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托 卡马克装置。貌似很顺利吧？其实不然，要想能够投入 实际使用，必须使得输入装置的能量远远小于输出的能 量才行，我们称作能量增益因子——Q值。当时的托卡马 克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到 能量输出，直到1970年，前苏联才在改进了很多次的托卡 马克装置上第一次获得了实际的能量输出，不过要用当 时最高级设备才能测出来，Q值大约是10亿分之一。别小 看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全 世界都在这种激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型 托卡马克装置
托卡马克的前世今生
欧洲建设了联合环-JET,苏联建设了T20（后来缩水成了T15，线圈小了，但是上了超导）， 日本的JT-60和美国的TFTR（托卡马克聚变实验反应器的缩写）。这些托卡马克装置一次次把能 量增益因子（Q）值的纪录刷新，1991年欧洲的联合环实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验， 使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚变反应持续了2秒钟，获得了0.17万千瓦输出功率，Q值达0.12。 1993年，美国在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，两次实验释放的聚变能分别为0.3万千瓦和0.56万 千瓦，Q值达到了0.28。1997年9月，联合欧洲环创1.29万千瓦的世界纪录，Q值达0.60，持续了2秒。 仅过了39天，输出功率又提高到1.61万千瓦， Q值达到0.65。三个月以后，日本的JT－60上成功进 行了氘－氘反应实验，换算到氘－氘反应，Q值可以达到1。后来，Q值又超过了1.25。这是第一次 Q值大于1，尽管氘-氘反应是不能实用的（这个后面再说），但是托卡马克理论上可以真正产生能 量了。在这个大环境下，中国也不例外，在70年代就建设了数个实验托卡马克装置——环流一号 （HL-1）和CT-6，后来又建设了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了环流2号。有种说法， 说中国的托卡马克装置研究是从俄罗斯赠送设备开始的，这是不对的，HT6/HL1的建设都早于俄 罗斯赠送的HT-7系统。HT-7以前，中国的几个设备都是普通的托卡马克装置，而俄罗斯赠送的 HT-7则是中国第一个“超脱卡马克”装置。什么是“超托卡马克装置”呢？回过头来说，托卡马
NO. 1 核聚 变反应原理
核聚变反应原理
主要原理
常温下，原子核之间由于斥力很难靠近，而当高温时，原
子动能极大，可能使原子核间距非常火很快就会熄灭，因此核聚 变需要核裂变提供高温，在高温中发生一定量的核聚变，从 而提供继续反应的温度。
所需燃料
托卡马克的前世今生
EAST位于中国合肥，是目前为止，超托卡马克反应体部分，唯一能给ITER提 供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的ITER（2005年正式确定的国
际合作项目ITER，也就是国际热核实验反应堆的缩写，这个项目从1985年开始，由苏联、美国、日本 和欧共同提出，目的是建立第一个试验用的聚变反应堆。（注意：ITER已经不是托卡马克装置了，而 是试验反应堆，这是一大进步）最初方案是2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价100 亿美元。没想到因为各国想法不同，苏联解体，加上技术手段的限制，一直到了2000年也没有结果， 其间美国中途退出，ITER出现胎死腹中的危险。直到2003年，能源危机加剧，各国又重视起来，首 先是中国宣布加入了ITER计划，欧洲、日本和俄罗斯自然很高兴，随后美国宣布重返计划。紧接着，
NO. 2 磁 约束核聚 变原理
托卡马克型磁场约束法
1 磁约束的基本原理是带电粒 子在磁场中受的洛伦兹力。
两端呈瓶颈状的磁力线，因瓶颈 2 处磁场较强能将带电粒子反射回
来 ，从而限制粒子的纵向（沿 磁力线方向）移动。
但是仍有一部分其轨道与磁力线 3 的夹角小于某值的带电粒子会逃
逸出去。
为了避免带电粒子的流失，曾经 4 把磁力线连同等离子体弯曲连接
论上就可以解决大电流和损耗的问题，于是，使用超导线圈的托卡马克装置就诞生了，这就是超 托卡马克。目前为止，世界上有4个国家有各自的大型超托卡马克装置，法国的Tore－Supra，俄 罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。除了EAST以外，其他四个大概都只能叫“准超
托卡马克”，它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。此 外他们三个的线圈截面都是圆形的，而为了增加反应体的容积，EAST则第一次尝试做成了非圆型 截面。此外，在建的还有德国的螺旋石-7，规模比EAST大，但是技术水平差不多。
氘与氚，氘在海洋中含量较为丰富，而氚则可以通过锂在中 子的轰击下获得，利用一定弄的的锂和氘理论上可以形成氘 -氚的链式反映，不过氘-氚反应极其危险，还有待改进。
可控核聚变
的手段
目前使核聚变处于可控范围的手段主要有磁约束和惯性约束 两种，磁约束主要利用磁场，惯性约束则主要依靠激光使外 层气化，向内产生较大压力，再辅以高温发生核聚变