第八章第十节聚变原理
当两个轻原子核结合成一个较重的原子核时，也会释放能量。我们称这种结合为聚变，
放出的能量称为聚变能。在人工控制下的聚变为受控聚变；在受控聚变的情况下释放能量的
装置，称为聚变反应堆或聚变堆。
在氢的同位素中，氘和氚之间的聚变最容易，所以人们一般将氘和氚称为聚变核燃料。
聚变能源与裂变能源
铀－235等重原子核裂变时，会产生200多种放射性同位素。虽然大部分同位素半衰期短
，可以在很短时间内衰变，但仍有一些，主要是锕系元素的半衰期长，会对人类造成几百万
年的危害。除了放射性外，裂变堆的核燃料及裂变产物如钚等，还有很强的化学毒性。我们
说裂变堆很清洁，是由于它层层设防，对放射性物质采取了严格的隔离措施。而氘、氚等聚
变反应中产生的氦，是没有放射性的。如果我们不在聚变堆中加入铀、钍等裂变材料，那么
聚变堆产生的放射性废物，主要是泄漏的氚，以及聚变时释放的中子、质子。聚变堆产生的
放射性，比裂变堆少得多。聚变堆由于活化产生的放射性废物主要是固体。而裂变堆产生的
放射性废物，加上裂变堆核燃料后处理过程中生成的废物，不少是气体和液体。气体或液体
放射性废物的处理，比固体困难些。
裂变堆如果冷却剂的循环遭到破坏，即使反应堆停堆，由于放射性衰变的余热得不到冷却，
堆芯温度还会上升，使燃料元件烧毁，造成放射性物质外逸。美国三里岛核电站的事故，就
是这么造成的。聚变堆没有余热，即使冷却剂丧失，也不可能出现三里岛那样的事故。
目前主要有磁约束、惯性约束和μ介子催化等途径可以实现聚变。经过半个多世纪的努力，
虽然有些途径已显示出胜利的曙光，但要发展到实用阶段，还有一段艰难的道路。
受控聚变的研究之所以如此艰难，一个根本的原因，是由于所有原子核都带正电，核力是一
种短程力，2个带正电的原子核互相接近时，它们之间的静电斥力也越来越大。只有当
它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时，核力才能起作用。这时由于核力大于
静电斥力，2个原子核才能聚合到一起，放出巨大的能量。由于2个原子核聚合前首先要克服
强大的静电斥力，所以在地球上现有的条件下，很难发生聚变。为了实现铀－235、钚－239
等的裂变，不需要入射中子及靶原子核具有任何动能；而为了使2个原子核聚变，首先必须
使两个原子核的一方或双方有足够的能量，去克服彼此之间的静电斥力。这就是全部症结之
所在。
聚变能量释放的因素
当等离子体达到一定的温度，由于原子核运动速度的增加，会使它们在相互碰撞时，克服彼
此间的静电斥力而聚变。很显然，对于在一定的温度条件下，在一定的时间内，原子核之间
互相碰撞的次数，与等离子体中原子核的密度成正比；而在一定密度的情况下，原子核之间
互相碰撞的次数，与等离子体中保持这种密度的时间，即约束时间成正比。因此聚变反应中
能量的释放，与等离子体的温度，以及原子核密度和约束时间的乘积有关。
20世纪50年代末以来，在科学家们提出磁约束的概念后，由于氢弹的迅速成功及聚变研究的
顺利进展，使不少国家的核科学家，对受控聚变抱过分乐观的态度。对受控聚变及快堆
的过分乐观的估计，曾使英、前苏联、美等国的民用核动力计划，受到一定影响；使这些国
家将未来能源的希望，过早地寄托在科学家的设想上。
这种过分的乐观，很快被一种悲观的情绪代替。科学家们发现，约束等离子体的磁场
，虽然不怕高温烈火烧，但很不稳定。磁场和等离子体之间的边界会逐渐模糊，等离子体会
从磁笼里钻出去，而且约束等离子体的磁场一旦出现变形，有一种正反馈作用使这种变形
加剧，造成磁笼断开或等离子体碰到聚变反应室的金属内壁上。另外，等离子体在加热过程
中能量也不断损失。由于粒子间的碰撞，等离子体的粒子会一步一步地横越磁力线，携
带能量逃逸；同时，高温等离子体会辐射出电磁波而损失能量。当等离子体含有质子数高的
杂质时，这种辐射损失会急剧增加。根据不同的辐射机理，辐射损失分别与杂质原子核内质
子数的平方、四次方、六次方成正比。
经过几十年的努力，人们才正确了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理，摸索出克
服这种不稳定性及能量损失的对策。20世纪60年代末期以来，科学家在克服磁场不稳定性及
能量损失方面所取得的进展，使人们对受控聚变的信心增强了。
聚爆理论
1972年，美国学者尼库尔斯等人公布了聚爆理论。根据这一理论，激光除了使靶丸加热外
，还使靶芯压缩，可以成千倍地增加靶芯密度；由于压缩引起的密度的提高，为使聚变达到
可以实用的规模，只需几万焦耳以上的能量就够了。聚爆理论增强了科学家们的信心，吹响
了向激光聚变点火进军的号角。从此以后，以点火为目标的激光聚变研究就开展了。
根据聚爆理论，为使激光聚变达到点火条件，并产生有益的能量输出，除了要提高激光
的能量外，还要求精确控制激光的照射方式。在激光照射的开始阶段，要求激光的功率小一
些，以便靶丸表面逐渐气化，形成一层与地球的大气层类似的冕区，使激光的能量能够均匀
地传输到靶丸的表面。然后再通过一次比一次强的激光照射，产生一个比一个快的聚心冲击
波，并使这些冲击波能同时达到点火所要求的靶丸半径处。因此在一个1毫米左右直径的氘
、氚小丸上，在以十亿分之几秒计的过程中，一共包括冕区形成、表层喷射、多次聚心压缩
和芯部点火4个阶段。这4个阶段要求在时间上有精确的衔接，在空间上有精确的同步，这需
要何等高超的技术和工艺啊！
经过10多年的努力，激光聚变已取得了明显的进展。1987年，我国上海光学精密机械研究所
，建成能量1 000焦的“神光”激光装置。如果这1 000焦的能量是1秒内产生的，则只有1 0
00瓦的功率。但神光装置的发光时间不到十亿分之一秒，因此功率达十亿千瓦以上，比198
9年中国全部发电厂的总功率大9倍以上。利用它轰击01毫米直径的氘氚小球，小球的温度
可达1 000万℃以上，并形成1 000万个大气压的向心压力，使小球产生了聚变反应。
在此之前，1980年，美国在“希瓦”激光聚变装置上，已使靶材压缩100倍，聚变反应释放
的能量，超过了输入的激光的能量的1%，取得了令人鼓舞的成绩。美国为实现激光聚变点火
而设计的“诺瓦”装置，能量可达10万焦，1979年5月14日开始建造，1986年1月建成并开始
调试和实验。