核聚变，又称核融合、融合反应或聚变反应，是将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个很轻的核（或粒子）的一种核反应形式。在此过程中，物质没有守恒，因为有一部分正在聚变的原子核的物质被转化为光子（能量）。核聚变是给活跃的或“主序的”恒星提供能量的过程。两个较轻的核在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量，两个轻核在发生聚变时因它们都带正电荷而彼此排斥，然而两个能量足够高的核迎面相遇，它们就能相当紧密地聚集在一起，以致核力能够克服库仑斥力而发生核反应，这个反应叫做核聚变。2014年3月，13岁英国小学生在学校实验室实现核聚变。

定义

比原子弹威力更大的核武器—氢弹，就是利用核聚变来发挥作用的。核聚变的过程与核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘（dao）、氚（chuan）等。核聚变也会放出巨大的能量，而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程，它的光和热就是由核聚变产生的。

相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。

人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变。

起源

核聚变程序于1932年由澳洲科学家马克·欧力峰（英语：Mark Oliphant）所发现。随后于1950年代早期，他在澳洲国立大学（ANU）成立了等离子体核聚变研究机构（Fusion Plasma Research）。

原理

简单的来说其原理就是爱因斯坦质能方程E=mc2 。

原子核发生聚变时，有一部分质量转化为能量释放出来。 只要微量的质量就可以转化成很大的能量。

两个轻的原子核相碰，可以形成一个原子核并释放出能量，这就是聚变反应，在这种反应中所释放的能量称聚变能。聚变能是核能利用的又一重要途径。

核聚变能利用的燃料是氘（D）和氚。氘在海水中大量存在。海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子，海水中氘的总量约40万亿吨。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。按目前世界消耗的能量计算，海水中氘的聚变能可用几百亿年。氚可以有锂制造。锂主要有锂-6和锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后，可以变成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多，也有两千多亿吨。用它来制造氚，足够用到人类使用氘、氘聚变的年代。因此，核聚变能是一种取之不尽用之不竭的新能源。

典型的聚变反应是

41 1H—→4 2He+20-1e+2.67×107 eV

2 1H+2 1H—→3 2He+10n+3.2×106 eV

2 1H+2 1H—→3 1H+1 1H+4×106 eV

3 1H+2 1H—→4 2He+10n+1.76×107 eV

后三个反应的净反应是

52 1H—→4 2He+3 2He+1 1H+210n+2.48×107 eV

即每5个2 1H聚变后放出2.48×107 eV能量。

要使原子核之间发生聚变，必须使它们接近到飞米级。要达到这个距离，就要使核具有很大的动能，以克服电荷间极大的斥力。要使核具有足够的动能，必须把它们加热到很高的温度（几百万摄氏度以上）。因此，核聚变反应又叫热核反应。原子弹爆炸产生的高温可引起热核反应，氢弹就是这样爆炸的。

受控核聚变是等离子态的原子核在高温下有控制地发生大量原子核聚变的反应，同时释放出能量。氘是最重要的聚变燃料，海洋是氘的潜在来源，氢弹爆炸释放出来的大量聚变能、原子弹爆炸释放出来的大量裂变能，都是不可控制的。在第一颗原子弹爆炸后仅十多年，人们就找到控制裂变反应的办法，并建成了裂变电站。原以为氢弹炸爆后能建成聚变电站，但并不如此简单，即使在地球条件下能发生的聚变反应：

3 1H+2 1H—→4 2He+10n+1.76×107 eV

也只能在极高的温度（＞4000℃）和足够大的碰撞几率条件下，才能大量发生。因此实际可作为能源使用的受控热核聚变反应，必须在产生并加热等离子体到亿万摄氏度高温的同时，还要有效约束这一高温等离子体。这就是近几十年内研究的难题和期望攻克的目标。中国的中科院物理所、中科院等离子物理所、西南物理研究院在实验工程和理论研究各方面都做了许多的工作，也取得了许多重要的进展。

另一定义

比原子弹威力更大的核武器—氢弹，就是利用核聚变来发挥作用的。核聚变的过程与核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘（dāo）、氚（chuān）等。核聚变也会放出巨大的能量，而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程，它的光和热就是由核聚变产生的。

核聚变能释放出巨大的能量，但人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，这就是受控核聚变。实现受控核聚变具有极其诱人的前景。不仅因为核聚变能放出巨大的能量，而且由于核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取。经过计算，1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是“取之不尽”的，因此受控核聚变的研究成功会使人类摆脱能源危机的困扰。但是人们还不能进行受控核聚变，这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行，因此又叫热核反应。可以想象，没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。尽管存在着许多困难，人们经过不断研究已取得了可喜的进展。科学家们设计了许多巧妙的方法，如用强大的磁场来约束反应，用强大的激光来加热原子等。可以，人们最终会掌握控制核聚变的方法，让核聚变为人类服务。国际热核聚变实验反应堆利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘（读"刀"，又叫重氢）和氚（读"川"，又叫超重氢）聚合成较重的原子核如氦而释出能量。 核聚变较之核裂变有两个重大优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算，每升海水中大约含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就大约有45万亿吨氘。计算得出，1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供差不多相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍，可以说是取之不竭，用之不尽的能源。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。二是核聚变既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是安全的。三是核聚变释放的能量比核裂变更大。实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是"托卡马克"型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近于成功，但要达到工业应用还差得远。要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。原理上虽然就这么简单，但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率，离需要的还差几十倍、甚至几百倍，加上其他种种技术上的问题，使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要大家征服，但其美好前景的巨大诱惑力，正吸引着各国科学家在奋力攀登。

控制方法

核聚变能释放出巨大的能量，但人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，这就是受控核聚变。

实现受控核聚变不仅因为核聚变能放出巨大的能量，而且由于核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取。经过计算，1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于100升汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是“取之不尽”的，因此受控核聚变的研究成功将使人类摆脱能源危机的困扰。

但是人们现在还不能进行受控核聚变，这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行，因此又叫热核反应。可以想象，没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。尽管存在着许多困难，人们经过不断研究已取得了一定的进展。科学家们设计了许多方法，如用强大的磁场来约束反应，用强大的激光来加热原子等。可以预计，人们最终将掌握控制核聚变的方法，让核聚变为人类服务。

主要的几种可控核聚变方式：

1、超声波核聚变

2、激光约束（惯性约束）核聚变： 惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。

3、磁约束核聚变（托卡马克）：它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近于成功，但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。

核能利用

利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘（又叫重氢）和氚（又叫超重氢）聚合成较重的原子核如氦而释出能量。

核聚变较之核裂变有以下几个重大优点。

一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算，在海水中氘和氢之比为1.5×10-4∶1，地球上海水总量约为1018吨，其中蕴藏着大量的氘，提炼氘比提炼铀容易得多。每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。

第二个优点是既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是安全的。

应用

发生条件

产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。大家的太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热，其中心温度达到1500万摄氏度，另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应，而地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，不过这样一来温度要到上亿度才行。核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受，只能靠强大的磁场来约束。由此产生了磁约束核聚变。对于惯性核聚变，核反应点火也成为问题。不过在2010年2月6日，美国利用高能激光实现核聚变点火所需条件。中国也有“神光2”将为中国的核聚变进行点火。

反应装置

欧洲联营环形托卡马克装置可行性较大的可控核聚变反应装置是托卡马克装置。托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，把其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

中国也有两座核聚变实验装置。

核聚变发电

核聚变发电是21世纪正在研究中的重要技术，主要是把聚变燃料加热到1亿度以上高温，让它产生核聚变，然后利用热能。

核武器

利用核聚变原理，制作氢弹。

优劣势

优势（1）核聚变释放的能量比核裂变更大（2）无高端核废料，可不对环境构成大的污染（3）燃料供应充足，地球上重氢有10万亿吨（每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油）核聚变能利用的燃料是氘（D）和氚。氘在海水中大量存在。海水中大约每6500个氢原子中就有一个氘原子，海水中氘的总量约45万亿吨。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。按世界消耗的能量计算，海水中氘的聚变能可用几百亿年。氚可以由锂制造。锂主要有锂-6和锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后，可以变成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多，也有两千多亿吨。用它来制造氚，足够用到人类使用氘、氘聚变的年代。因此，核聚变能是一种取之不尽用之不竭的新能源。在可以预见的地球上人类生存的时间内，水的氘，足以满足人类未来几十亿年对能源的需要。从这个意义上说，地球上的聚变燃料，对于满足未来的需要说来，是无限丰富的，聚变能源的开发，将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。六十多年来科学家们不懈的努力，已在这方面为人类展现出美好的前景。氘是相当丰富的氢同位素，在海洋中每6500个氢原子就有1个氘原子，这意味着海洋是极大量氘的潜在来源。仅在1L海水中就有1.03×10^22个氘原子，就是说每1Km^3海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧13600亿桶原油的能量，这个数字约为地球上蕴藏的石油总储量。经过计算，1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。劣势反应要求与技术要求极高。从理论上看，用核聚变提供部分能源，是非常有益的。但人类还没有办法，对它们进行较好的利用。（对于核裂变，由于原料铀的储量不多，政治干涉很大，放射性与危险性大，核裂变的优势无法完全利用。截至2006年，核能（核裂变能）发电占世界总电力约15%。说明了核裂变的应用的规模之大，更能说明优势比核裂变更大的核聚变能源前景更加光明。科学家们估计，到2025年以后，核聚变发电厂才有可能投入商业运营。2050年前后，受控核聚变发电将广泛造福人类。

研究进展

中国新一代热核聚变装置EAST2010年9月28日首次成功完成了放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。

负责这一项目的中国科学院等离子体所所长李建刚研究员说，此次实验实现了装置内部1亿度高温，等离子体建立、圆截面放电等各阶段的物理实验，达到了预期效果。

EAST装置是中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的。

美、法等国在20世纪80年代中期发起了耗资46亿欧元的国际热核实验反应堆（ITER）计划，旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，为人类输送巨大的清洁能量。这一过程与太阳产生能量的过程类似，因此受控热核聚变实验装置也被俗称为“人造太阳”。

中国于2003年加入ITER计划。位于安徽合肥的中科院等离子体所是这个国际科技合作计划的国内主要承担单位，其研究建设的EAST装置稳定放电能力为创记录的1000秒，超过世界上所有正在建设的同类装置。

EAST大科学工程总经理万元熙教授说，与ITER相比，EAST在规模上小很多，但两者都是全超导非圆截面托卡马克，即两者的等离子体位形及主要的工程技术基础是相似的，而EAST至少比ITER早投入实验运行10至15年。

从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。

聚变意义

到下世纪中叶，世界的人口会达到双倍，并且能源需求达到三倍。这很大程度上是由于发展中国家的工业化和经济增长。继续使用化石燃料（煤，石油和天然气）会迅速耗尽这些有限的局部的自然资源。这里，也许，还有50-100年的石油和天然气供应，和足够用几百年的煤。燃烧这些化石燃料造成不可挽回的环境危害。另一方面，地球海洋中的氘，使用先进的核聚变反应堆会是充足的燃料，供大家使用数百万年。氚-氘核聚变反应堆的废料普通的无害的氦元素。太阳能和可再生能源科技会扮演者一定的角色在大家未来的能源中。虽然它们有固有的安全性和无限制燃料供应的特点，但它们有地理上的限制，气候依赖和世界上的人口和工业化不可见的能源需求。另一个选择，核裂变，正遭受着一个消极的公共观点。高放射性废物处置，和武器级核材料的扩散威胁是主要关切的。在当前的燃料供应下，铀，很多，但是最终还是有限的使用数百年。成功的核聚变技术的前景，另一方面讲，有希望成为实际上无限能源，且只有非常小的危险。磁约束装置的辐射很容易防护，并且（不像裂变铀燃料发电厂），如果发生了意外，磁约束被破坏，反应会立即停止。核聚变确实看上去可能成为未来的能量来源。

终极目标

据国外媒体报道，美国宇航局科学任务理事会副主任约翰·格伦斯菲尔德认为人类必须研制出核聚变动力的火箭，传统的化学能火箭不适合进行星际旅行，即便是在太阳系之内的行星际飞行，核动力火箭将提供更快的速度和强大的能量源，也可以解决登陆其他行星时所遇到的能源问题。核聚变火箭将大大缩短深空飞行的时间，为人类充分探索和利用太阳系开辟道路，美国宇航局目前正在研制核动力火箭动力系统，此类发动机将是下一个重大的科技飞跃，可以想象，如果我们能在一两个月之内前往土星，那将是多么美妙的情景。

传统的火箭发动机可分为固态和液体发动机，固体火箭发动机的燃料为固态，其特点为维护简单，结构较轻，适合于质量较小的推力要求，用于中小型火箭。液体火箭发动机的燃料以液态为主，比如航天飞机使用液态氢和液态氧作为动力，可快速燃料释放强大能量。适用于大型火箭，比冲明显优于固态火箭发动机，但液体火箭发动机结构较为复杂，加注燃料和维护更换都具有一定危险性。发射升空的长征2F型火箭是典型的液态燃料火箭，四个捆绑式助推器、芯一级和芯二级都采用了液体火箭发动机。

有些运载火箭则使用固态和液态发动机作为混合动力，比如阿丽亚娜五型ES火箭，就使用了固态助推火箭，航天飞机也使用了固体火箭助推器。美国宇航局的专家认为，传统的化学能火箭可以让人类抵达遥远的太阳边缘，但是需要花费更多的时间，比如往返火星的探索之旅，美国宇航局计划表中提到的时间为2030年代中期，需要花费大约500天的时间，如果我们能加快飞行速度，并配合有效的减速发动机，就可以减少宇航员在空间飞行中受到的辐射剂量，较短的旅程也可以节省食物和水。

美国宇航局和世界各地的研究机构正在研发先进的宇宙飞船推进技术，其中包括只在科幻小说中才能耳闻的“曲速推进”发动机，物质和反物质动力系统等，虽然这些动力系统对现有的航天科技而言显得遥不可及，但是在这个探索过程中可能会有其他重大的发现。除了核动力发动机外，太阳帆技术似乎是目前最容易实现的航天动力，美国宇航局和日本空间机构已经测试了空间太阳帆技术，但空间太阳帆为动力的飞船可能只适合超远距离的空间飞行，其加速过程较为缓慢。

科学家认为核动力火箭是未来一段时间可实现新型宇航动力，而核聚变技术用于宇宙飞船可能还需要很长的路要走，还没有成熟的可控核聚变反应堆，使用核裂变技术研发动力系统或许也是一个途径。美国宇航局先进概念研究所提出了几种核聚变发动机的方案，根据华盛顿大学的科学家计算，使用核聚变技术可大大缩短火星之旅的时间，我们可以在一个月之内将宇航员送上火星，比500天的时间还少很多。

尽管过去几十年内科学家已经投入了大量资金研发可控核聚变技术，但依然没有制造出实用化的聚变堆，更不用说短期内作为宇宙飞船的动力系统，格伦斯菲尔德认为核聚变技术是未来三十年内需要有所突破的宇航动力，人类要想进入更遥远的宇宙深空，动力系统需要进行革命性地突破，地球上的可控核聚变研究应该加快脚步，然后开始测试空间核聚变动力。

在第36届推进器大会上，美国宇航局就提出了核动力火箭技术，只需一次发射就可以完成太阳系内侧行星的探索。1946年，美国宇航局与美国空军联合开展了NERVA

计划以及Rover 计划，试图打造出核动力推进技术，NERVA

发动机包括反应器、涡轮泵以及推进剂存储设备等；苏联研究人员在上个世纪50年代计划在飞行器上安装四台核动力涡轮发动机，这些核动力技术都是基于核裂变技术，在这方面我们有着较为成熟的技术。

常见的核裂变技术发动机包括核脉冲火箭、核电火箭、核热火箭以及核冲压火箭等，以核热火箭为例，其反应堆结构比陆基核电站的规模要小很多，铀-235的纯度要求更高，达到90%以上，在高比冲要求下，发动机核心温度将达到3000K左右，需要耐高温性能极佳的材料。核动力技术用于太空环境时，也会面临核辐射的危险，如果克服这些困难，那么在核聚变发动机无法实现的前提下，核裂变发动机技术也能为太阳系内的探索服务，甚至可进行无人飞船前往遥远太阳系外的星际之旅，还可带来强大续航力，这是传统化学能发动机所不能比拟的！

行业动态

英国13岁小学生在学校实验室实现核聚变

杰米·爱德华兹2014年3月，英国一名13岁的小学生宣布自己在学校实验室实现了核聚变，他表示他用氘聚变氦的过程中检测到了中子，证明聚变成功，他也因此成为世界上实现聚变的最年轻的人。