发生核聚变的条件

当氢原子聚合时，它们的原子核必须结合在一起。然而，由于每个原子核中的质子都带有相同的电荷（正电），因而会互相排斥。如果您曾试着将两块磁铁放在一起并感到它们互相推开，则意味着您已亲身体验了这一原理。

若要实现核聚变，需要创造一些特殊的条件来克服这种排斥力。下面是发生核聚变的一些必要条件：

高温——高温可为氢原子提供足够的能量，以克服质子之间的电荷排斥。

核聚变需要的温度约为1亿开（约是太阳核心温度的六倍）。

在这样的高温下，氢的状态为等离子体，而不是气体。等离子体是物质的一种高能状态，其中所有电子都从原子中剥离出来，并可以自由移动。

太阳的高温是由重力压缩核心的巨大质量而产生的。我们要制造出这样的高温，就必须利用微波、激光和离子粒子的能量。

高压——压力可将氢原子挤在一起。氢原子之间的距离必须在1x10-15米以内，才能进行聚合。

太阳利用其质量和重力将核心内的氢原子挤压在一起。

我们要将氢原子挤压在一起，必须使用强大的磁场、激光或离子束。

借助目前的技术，我们只能实现发生氘－氚聚变所需的温度和压力。氘－氘聚变需要的温度更高，这种温度有可能在将来实现。基本上，利用氘氘聚变会更加方便，因为从海水中提取氘比从锂中提取氚要更加容易。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反应可释放更多的能量。

核聚变反应堆：磁约束

有两种方法可实现发生氢聚变所需的温度和压力：

磁约束使用磁场和电场来加热并挤压氢等离子体。法国的ITER项目使用的就是这种方法。

惯性约束使用激光束或离子束来挤压并加热氢等离子体。在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施中，科学家们正在对这种试验方法展开研究。

我们首先探讨磁约束。其工作原理如下：

加速器释放出微波、带电粒子束和中性粒子束，用于加热氢气的气流。在高温下，氢气从气态变为等离子体。这种等离子体受到超导磁体的挤压，进而发生聚变。在用磁场约束等离子体时，最有效的磁体形状是面包圈形（即环形）。

等离子体环形室

采用这种形状的反应堆称为Tokamak。ITER Tokamak是一个独立式反应堆，其部件都装在不同的盒子中。进行维护时，工作人员可以方便地插入和拔出这些盒子，而不必拆开整个反应堆。该Tokamak的等离子体环形室将采用2米的内半径和6.2米的外半径。

磁约束：ITER示例

ITER Tokamak反应堆的主要组件包括：

ITER Tokamak

真空室——用于盛放等离子体，并将反应室置于真空中

中性束注入器（离子回旋系统）—— 将加速器释放的粒子束注入等离子体中，以便将等离子体加热到临界温度

磁场线圈（极向环形）——用磁场来约束、定型和抑制等离子体的超导磁体

变压器/中央螺线管——为磁场线圈供电

冷却设备（冷冻机、低温泵）——用于冷却磁体

包层模块——由锂制成，用于吸收核聚变反应中的热量和高能中子

收集器——排出核聚变反应中的氦产品

下面是磁约束核聚变过程的作用机制：

磁约束核聚变过程

核聚变反应堆加热氘和氚燃料的气流，使之形成高温的等离子体。接下来，反应堆对等离子体施加压力，继而发生聚变。

启动核聚变反应所需的电能约为70兆瓦特，但该反应生成的电能约为500兆瓦特。

核聚变反应将持续300到500秒（最终将形成持续的核聚变反应）。

等离子体反应室外部的锂包层将吸收核聚变反应中释放的高能中子，从而产生更多的氚燃料。在高能中子的作用下，这些包层也会被加热。

水冷回路将热量转移至热交换器，最终形成蒸气。

蒸气驱动电涡轮发电。

蒸气将被重新压缩成水，以便让热交换器吸收反应堆中的更多热量。

起初，ITER Tokamak将测试建造持续核聚变反应堆的可行性，其最终将变为一座测试核聚变发电厂。