聚变反应的净能量增益（聚变反应一定释放能量）

美国将宣布有关核聚变重大突破！具体有这样的突破？

美国的科学家们在研究的过程当中。首次在聚变反应中产生的能量超过了用于点燃它的能量。这是非常大的突破。

1kg氘完全聚变可以释放多少能量

氘核(重氢)、T是氚核(超重氢). 简单的回答:根据爱因斯坦质能方程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. 最重要的聚变反应有： 式中D是氘核(重氢)、T是氚核(超重氢).以上两组反应总的效果是： 即每“烧’掉6个氘核共放出43．24MeV能量,相当于每个核子平均放出3．6MeV.它比n＋裂变反应中每个核子平均放出200／236＝0．85MeV高4倍.因此聚变能是比裂变能更为巨大的一种核能. 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. 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. 典型的聚变反应是 411H—→42He+20-1e+2.67×107eV 21H+21H—→32He+10n+3.2×106eV 21H+21H—→31H+11H+4×106eV 31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV 后三个反应的净反应是 521H—→42He+32He+11H+210n+2.48×107eV 即每5个21H聚变后放出2.48×107eV能量. 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1.03×1022个氘原子,就是说每1Km3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. 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. *** 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,一旦能实现以氘为基本燃料的受控核聚变,人们就几乎拥有了取之不尽、用之不竭的能源.氢弹爆炸释放出来的大量聚变能、 *** 爆炸释放出来的大量裂变能,都是不可控制的.在之一颗 *** 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： 31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV 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.我国的中科院物理所、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.

二十世纪的研究说明聚变反应产生的能量有多大？

二十世纪的聚变反应的燃料一般是轻元素，如氦、氢及其同位素等。一个氢同位素氘核和一个氢同位素氚核互相碰撞，发生聚变反应，可生成一个氦核。聚变时同时释放出很大的能量，这种能量比裂变反应时发出的能量还要大。生成1克氦核的聚变反应，释放出来的能量就大约与燃烧12吨煤相当，这要比同样重量的核燃料裂变反应产生的能量大好几倍。

HB11的氢硼激光聚变试验取得了突破性成果

HB11正在从一个全新的角度接近核聚变。据悉，这家公司正在使用高功率、高精度的激光而非上亿度的温度来启动反应。它的之一个演示产生了比预期多9倍的核聚变反应，该公司说它现在是“迄今为止唯一实现核聚变的商业实体”并使其成为“清洁能源圣杯商业化竞赛中的全球领跑者”。

据了解，为了将原子狠狠地砸在一起从而使它们融合在一起并形成一种新的元素，你需要克服将两个带正电的原子核推开的强大排斥力。这就像在太空中向对方投掷强大的磁铁后希望将两个北极砸在一起而不是让它们跳开对方的路。

太阳是通过将大量的氢原子装入在其核心处被过热到数千万度的等离子体中来实现的。在这些温度下，氢原子的运动速度非常得快，以至于它们相互撞击并融合并释放出使我们的星球变暖的能量。

大多数核聚变反应堆的设计旨在复制这些条件，即通过磁力将氢原子限制在一个等离子体中然后使用陀螺仪和其他专门设备来创造小块的疯狂温度--超1亿摄氏度。科学家们希望在其中获得足够的核之间的随机碰撞以创造一个连锁反应。这是支撑数十亿美元的恒星仪和托卡马克项目的基本想法，这些项目几十年来一直主导着聚变研究。

HB11使用的是一种不同的 *** --更接近于斯诺克球。它不需要大量的热量或棘手的放射性燃料如氚，相反，它利用了最近在超高功率“啁啾脉冲放大”激光器方面的进展，这些激光器可以产生超10PB的巨大功率水平。

一个HB11反应堆将是一个大部分是中空的金属球体，中间夹着一个“大小适中”的硼燃料颗粒，球体上的两个位置有孔，用于放置一对激光器。其中一个激光器将被用来为等离子体建立一个磁封场，另二个激光器则通过硼样品被用来大规模地加速氢原子。因此，你不是在加热东西以期望它们能高速撞击在一起，而是真的将氢气对准了硼并使用这些出血性的激光器让它的速度变得非常快，以至于如果它撞击到一个原子核就会发生熔断。

氢-硼核聚变不会产生热量，它只是产生“裸”氦原子，或α粒子，这些粒子缺少电子，因此带正电。HB11计划简单地收集这种电荷来创造能量，而不是需要过热的蒸汽和驱动有损耗的涡轮机。另外，还不会产生任何核废料。

关于激光触发的链式反应的初步实验返回的反应速率是预期的10亿倍，这导致HB11在2020年称它很有可能远远领先于其他团体达到净能量增益的目标。

“由于我们没有试图将燃料加热到不可能的高温，我们避开了半个多世纪以来阻碍聚变能源发展的所有科学挑战，”HB11常务董事Warren Mckenzie博士当时告诉媒体，“这意味着我们的发展路线图将比任何其他核聚变 *** 更快、更便宜。”

现在，新的消息使这个想法有了进一步的学术可信性。在这项由HB11首席科学家Dimitri Batani和合作者Daniele Margarone领导、捷克共和国教育、青年和 体育 部及欧盟EUROfision财团资助的研究中，新技术已经在大阪大学的激光工程研究所进行了演示。

这项研究的报告则已发表在同行评议的《Applied Sciences》上。

据了解，实验中用到的装置包括一个短脉冲、高能量、petawatt级的激光器，其被调谐到大约3 x 10 19 W/cm 2 的“相对论强度”。其被聚焦到一块0.2毫米厚的氮化硼的表面。一台汤普森抛物线光谱仪则被放置在距离下端，用于测量质子/离子等离子体发射，等离子体离子被平行电场和磁场偏转并被记录在一个成像板上。一个核跟踪检测器则用来计算通过核聚变产生的α粒子的数量。

这项研究的报告称：“本工作中提出的结果首次证明了使用PW级激光器和‘目标内’几何结构从p-B核聚变中高效产生α粒子的原则性实验。测量的α粒子通量约为10 10 /sr，因此这比以前用相同的激光参数但在‘投手捕捉器’几何形状下获得的结果高一个数量级。这一成就跟过去15年报告的p-B核聚变的实验进展相一致，另外还证实了使用直接辐照方案触发p-B核聚变反应的优势--至少在α粒子通量方面是如此。”

研究人员做了一个“粗略”的估计，即通过聚变产生了约1.4 x 10 11 个α粒子，另外还指出由于诊断的限制，所以这是一个“明显的低估”。他们指出，该过程的整体转换效率（激光到α粒子能量）仍然很低，约为0.005%，但他们表示，这些结果允许对基本机制进行定性支持并为进一步研究提供了大量的途径。

McKenzie在一份新闻稿中说道：“光是核聚变反应的演示就已经令人难以置信地兴奋。但在此基础上，出乎意料的高数量反应还为我们提供了关于如何优化我们的技术以进一步增加我们能够创造的聚变能量的重要信息。”

新闻写道：“HB11能源公司的研究表明，其氢硼能源技术在激光的催化下，现在距离实现净能量的增加还有四个数量级。这比任何其他核聚变公司报告的要高出许多数量级，其中大多数公司尽管在该领域投资了数十亿美元却没有产生任何反应。结果显示了清洁能源发电的巨大潜力：氢硼反应使用的燃料是安全和丰富的，由于在初级反应中不产生中子，因此会造成微不足道的短寿命废物，另外还可以为基础负荷电网电力或氢气发电提供大规模的动力。”

“由于HB11能源公司是迄今为止唯一实现聚变的商业实体，”新闻稿继续说道，“它现在是清洁能源圣杯商业化竞赛中的全球领先者。”

此外，该公司还利用这个机会敦促澳大利亚 *** 提供更多的本地支持和设备--尤其是要求对一个petawatt级激光设施进行投资。

核聚变是驱动恒星的引擎，那么人造聚变反应堆是如何工作的呢？

核聚变是驱动恒星的引擎，许多人认为这是能源技术的“圣杯”。一个正常运转的聚变反应堆可以无限期、安全和无危险地为世界提供几乎无限的能源。不幸的是，这项技术仍然是科幻小说的素材。这让许多读者不禁要问，“什么是核聚变，人造聚变反应堆是如何工作的”？

在我们进入聚变之前，我们先来谈谈裂变。核裂变与核聚变相反，它是分裂原子的过程。当原子分裂时，无论是通过放射性衰变（放射性）还是通过核连锁反应（核弹），它们都会释放出大量的能量和电离辐射。核电站利用这种裂变能为全世界11%的人口提供电力。

聚变是将两个或多个原子结合起来创造新东西的过程。当两个质量比铁低的原子核发生这种情况时，这个过程会产生大量的能量。当原子核与比铁重的质量结合时，它实际上消耗能量。后者是对恒星的死刑判决，当一颗恒星开始在其核心熔合铁时，它就要变成超新星了。

现在，我们只讨论前者，融合能产生能量的较轻的原子核。这些较轻的原子核的行为可能与我们的直觉相反。当我们试图把两件事推到一起时，这需要工作和精力去做。当我们试图将原子融合在一起时，它们实际上想在原子足够接近后粘在一起。当两个原子粘在一起并融合成新的东西时，它们释放出大量的能量。

在核聚变之后，实际上需要一点能量才能把它们维持在融合状态。不幸的是，由于氢原子具有相同的电荷，所以当它们彼此靠近时，就会相互排斥。这有点像迷你高尔夫——如果你想把球放在一个陡峭的斜坡上的洞里，要把球挪到洞附近需要一点功夫。但一旦球越过了洞的边缘，它就会立即下沉并弹入原位，它“回家”。这要归功于强大的核力，它能使原子“粘在一起”。

更大、更重的原子的工作方式有点不同。它们只是勉强保持在一起，丝毫的扰动都会使它们碎裂并导致能量释放。这就是我们所说的放射性，这种效应用来加热水，形成蒸汽可以驱动涡轮机，为核电站发电。

核聚变研究已经进行了几十年。虽然进展缓慢，但近年来取得了一些令人振奋的进展。虽然实现核聚变的 *** 有近十几种，但目前有两种设计处于领先地位，最有希望获得成功。它们是惯性约束聚变和磁约束聚变。

惯性约束融合

描述惯性约束聚变的一种俗语称为激光聚变。这是一个名副其实的描述，因为这正是它的本质。几十个世界上最强大的激光被激发，然后在系统中被放大，然后聚焦到一个小目标上。目标通常是一（10毫克）氘 - 氚小球。激光以这样的力量、速度和能量撞击，压缩颗粒并在其有时间通过传统 *** 使其自身破裂之前立即加热。这个过程发生得太快（在10^(- 11） 到1010^(-9 ） 秒之间），以至于离子被自己的惯性卡住，这就是惯性约束聚变这个名字的由来。

一旦氘 - 氚小球达到一定的压力和温度，就会实现“点火”。“点火”是指小球开始连锁反应的过程，这种连锁反应导致物质开始熔化，从而产生大量的能量。一个10毫克的氘 - 氚小球实现聚变，相当于燃烧一整桶石油。

小球本身是氘和氚的一对一混合物，氘 - 氚都是氢的同位素。全球氘的供应实际上是无限的，它可以从各种形式的水中蒸馏出来，每升海水中含有33毫克的氘。另一方面，氚确难以获得，它是一种快速衰变的氢元素，在自然界中极其罕见。全球氚的总供应量约为45磅。幸运的是，它可以在核聚变过程中产生。当中子撞击聚变反应堆包层壁中的锂时，它被“繁殖”。任何未来的大规模商业化ICF聚变反应堆计划，都必须包括培育自己的氚。

虽然实验性的激光聚变确实能实现“点火”，但问题是从中获得的能量比你投入的能量要多。激光所需的能量相当可观，而对于加利福尼亚州的美国国家“点火”设施（NIF），他们需要将产量提高100倍，才能达到收支平衡。另一个问题是小球本身；如果激光击中小球，而小球没有被均匀地压缩和加热，不仅会有显著降低能量增益的风险，还有可能根本无法实现“点火”。

磁阻融合

磁约束聚变比激光聚变更奇特。实现聚变的过程是使用强磁场来挤压、加热和控制过热的等离子体。等离子体在环形反应器中循环，其中附加的加热等离子体的 *** 也在辅助加热等离子。 电流也流过等离子体，在某些情况下，还会发生微波，中性束注入和射频加热。 目的是使等离子体尽可能热以引发聚变，温度需要达到或超过1.5亿摄氏度。

在这两种类型的聚变系统中，磁约束被认为是更成熟的技术，可能是之一种实现核聚变净能量增益的技术。然而，它也不是没有自己的挑战。为了达到自我维持聚变所需的温度，必须精确控制等离子体。这是一个技术难题，因为过热的等离子体难以控制。想要控制它，就像把水放在手掌里，然后把它塑造成某种东西。水要么从你的手上漏出来，要么立即失去形状，形成杂乱无章的水坑。将等离子体保持在你想要的位置，如何使用它，并防止它接触反应堆壁，是物理学家面临的更大挑战之一。

等离子体中的杂质和电流或磁场中的不稳定性也会对物体造成干扰，从而阻止聚变的发生。核聚变反应堆壁也有中子损伤的危险，聚变导致中子轰击反应堆壁，并导致金属变弱、变脆并最终腐烂。这有利于氚的“繁殖”，但对本来就很脆弱反应堆壁却不利。

正如我们在这篇文章的开头提到的，聚变力有潜力为我们提供几乎无限的能量。然而，好处并不止于其止。除了能源生产外，为反应堆提供动力所需的燃料量很小，这些燃料可以从海水中蒸馏获得。聚变反应堆产生的辐射也比我们生活在地球上所经历的自然背景辐射少。

世界上近70%的能源来自燃烧煤炭、石油和天然气。由于核聚变不涉及燃烧，所有的污染空气源和废物几乎会在一夜之间消失。尽管核聚变反应堆有一些核废料，但与典型裂变反应堆在其使用寿命内产生的废料量相比，微不足道。核聚变产生的高风险废物也不是高水平，也不是武器级材料。核聚变仅产生少量放射性废物，且只在大约50年内保持着危险的放射性，因此处置问题就不那么令人担忧。也没有导致放射性爆炸释放（如切尔诺贝利）的熔毁风险。这是因为聚变使用的燃料量很小，不可能发生失控反应， 燃料在进行其他操作之前会自行燃烧。

核聚变能力的另一个好处是，它可用于星际太空旅行。

据推测，冷聚变是一种核反应，可能会在室温附近发生。过去几十年来，有那么几个人声称实现了“冷聚变”，但到目前为止，还没有人能够用自己的设备在自己的实验室再现“冷聚变”。实现冷聚变的可能性很小的原因之一是库仑势垒。在恒星的核心和我们的实验聚变反应堆中，由于施加了巨大的热和压力，这个屏障很容易被克服。没有这些极端环境，持续的核聚变是不可能的。

为了摆脱该术语的负面烙印，那些继续研究该聚变领域的人更喜欢使用术语“低能核反应”（LENR）。 目前，冷聚变与永动机属于同一类科学。在欧洲核子研究中心工作的物理学家道格拉斯·R·O·莫里森，把冷聚变称为病理科学的一个例子。这个词是1953年诺贝尔化学奖得主欧文·兰缪尔创造的。他用病理科学这个词来形容一个研究领域，在这个领域的大多数科学家放弃它后很长一段时间内却没有“消失”，还有个别人在坚持研究。