關(guan) 於(yu) 科普，零敲碎打地看一些科普文章或視頻，被帶節奏，搞得暈暈乎乎，不如自己原原本本從(cong) 教材中汲取營養(yang) 。

關(guan) 於(yu) 核聚變這個(ge) 話題，從(cong) 今天開始，我以四本教材為(wei) 基礎，分章節係統介紹核聚變基礎物理星空体育官网入口网站及聚變工程，在此過程中，我會(hui) 將這一問題的探討深度和難度放在定性與(yu) 定量之間，隻涉及少量非涉及不可的公式。

這樣做的目的是想讓你能夠在核聚變這個(ge) 問題上有一個(ge) 更加進階和係統全麵自主的認識，但又能盡量避免限入專(zhuan) 業(ye) 艱深的數學模型和分析中。

《聚變能及其應用》一書(shu) 是給在等離子體(ti) 所的年輕科研人員和博士生授課教材的基礎上撰寫(xie) 而成的。主要反映20年聚變裂變混合堆的進展及 ITER 設計的進展。

《磁約束等離子體(ti) 實驗物理》、《磁約束聚變原理與(yu) 實踐》主要介紹磁約束聚變的原理、等離子體(ti) 位形和實驗裝置。相關(guan) 作者從(cong) 事核聚變研究幾十年，書(shu) 中內(nei) 容嚴(yan) 謹詳細，定性部分講得比較過癮。

《等離子體(ti) 物理與(yu) 聚變能》曝光度比較高，作者傑弗裏·弗萊德伯格（名譽）教授（Jeffrey P. Freidberg）曾任麻省理工學院核科學與(yu) 工程係係主任，該書(shu) 基於(yu) 麻省理工學院關(guan) 於(yu) 等離子體(ti) 物理學和聚變能量的研究生課程的一係列課程筆記撰寫(xie) 。（說實話，就這本書(shu) 而言，老外書(shu) 中的語句其實沒有咱中國人嚴(yan) 謹）

總之，這四本書(shu) 是介紹高溫等離子體(ti) 、核聚變及其裝置方麵的權威書(shu) 籍，作者都是長期從(cong) 事此方麵工作的理論和實驗專(zhuan) 家，咱們(men) 就學起來吧，立個(ge) flag，開好頭收好尾，希望我的更新不要太監了。

 先開個頭：人類為什麽要發展受控核聚變？

1、現有的能源方式撐不了多少年

人無遠慮、必有近憂。對整個(ge) 人類來說，對能源的利用方式與(yu) 文明的發展息息相關(guan) ，考慮百年、千年甚至萬(wan) 年、百萬(wan) 年以後人類的能源問題，就如同你個(ge) 人考慮下個(ge) 10年、20年自己幹點啥一樣現實和必要。

看看上麵這張表，石油、天然氣、煤等化學能和天然鈾的裂變，所能提供的能量可以說是有生之年的事，即使煤稍微長點，但通過燒煤獲取能源麵臨(lin) 著越來越受重視的碳排放問題，所以，光伏、下一代核裂變反應堆、核聚變將是必須要研究和推進的能源獲取方式。

光伏，不必多說，雖然也可以說是取之不盡，但靠天吃飯、被動獲取，技術的迭代很快，但從(cong) 科學上來講，沒有太多新鮮事。

下一代核裂變反應堆（增殖堆）可以撐3萬(wan) 年，這個(ge) 還可以，甚至發展它，當下比發展核聚變更有現實意義(yi) 和收益，具體(ti) 的細節留坑到後麵講。

受控核聚變，對其掌握程度與(yu) 人類是否完全駕馭強核力、了解熱核等離子體(ti) ，是否邁入更高階段文明直接掛鉤，也是我們(men) 討論的主題。

2、核反應與(yu) 化學反應

通過上圖，不同種類燃料的能量當量進行比較，就可以看出人類為(wei) 什麽(me) 對聚變能感興(xing) 趣了。

化學能的獲取，或者說化學反應過程中，每種元素的原子量（質子加中子的總數）是不變的，產(chan) 生變化的是化學鍵，也就是原子中的電子結構發生了重新排布，所以化學能本質上是電磁能，其能量都在eV（1電子伏特）級。

比如，上麵是汽油中主要成份完全燃燒時的反應式，碳、氫、氧的原子量和原子個(ge) 數都沒有發生變化。

注意，化學反應中的質量守恒是一種近似，實際上，過程前後也是有質量變化或質量虧(kui) 損的，其轉換關(guan) 係同樣遵循質能方程（E=MC平方），隻不過非常微小，所以通常忽略不計。

而核反應（包括裂變、聚變、衰變）是原子內(nei) 部質子與(yu) 中子重新組合變化的過程（伴隨著重組和質子、中子的相互轉變），其反應釋放的能量都在MeV（兆電子伏特）級別，能量來源於(yu) 核子質量的虧(kui) 損，產(chan) 生的新核的總質量要小於(yu) 反應前舊核的總質量。

同時，反應中巨大的能量釋放往往讓電子發生電離或釋放巨大的能量（頻率極高的電磁波，比如伽馬射線）。

3、聚變能是人類的未來

更進一步，聚變能是原子核內(nei) 部強核力結構發生變化時產(chan) 生的能量，來源於(yu) 輕核合並為(wei) 重核時的質量虧(kui) 損，原因是合並後一部分強核力媒介粒子（介子）被新合成核拋棄，這如同兩(liang) 個(ge) 公司合並，一部分員工被炒魷魚一樣，一部分強核力媒介粒子被拋棄了。

氘氚聚變是目前一階段人類受控核聚變發電工程的主要燃料方案（後麵會(hui) 講為(wei) 什麽(me) ），所用到的燃料在地球上幾乎取之不盡。

1、首先是氫的同位素氘 ，它儲(chu) 於(yu) 水中 。一升海水中的氘通過聚變反應可釋放出相當於(yu) 燃燒 ３００L 汽油的能量 。地球上儲(chu) 存有十分豐(feng) 富的聚變能資源 。氘在天然氫中占１／６７００ ，可計算出 ，每立方米水中含氘量為(wei) ３３g 。地球上的海水中所含的氘 ，如果用於(yu) 氘氘聚變反應堆 ，可供人類使用上億(yi) 年 ，但是這種反應堆離實現還太遙遠 ，比較現實的還是氘氚聚變反應堆。

2、氚在地球上含量極少，衰變時間短（約為(wei) 12.5年），主要以人工製造為(wei) 主。

主要的生產(chan) 方法是通過中子照射鋰產(chan) 生（反應式如上圖，中子與(yu) 鋰反應生成氚和氦）。

鋰在地球上有比較豐(feng) 富的儲(chu) 量 ，鋰在地殼中的含量為(wei) 0.002％，主要以鋰輝石、鋰雲(yun) 母、鋰蒙脫石、透鋰長石等礦物形式存在，某些鹽湖也是重要的鋰來源，據美國地質調查局（ＵＳＧＳ）截至2019年底的統計，全球已探明鋰礦儲(chu) 量1400萬(wan) -1700萬(wan) 噸左右（鋰礦資源量8000萬(wan) 噸）。

我國可采鋰的儲(chu) 量超過數百萬(wan) 噸（2020年探明鋰礦儲(chu) 量為(wei) 450萬(wan) 噸） 。以每個(ge) 鋰核轉換一個(ge) 氚核為(wei) 條件 ，每 １００ 噸鋰用於(yu) 氘氚聚變電站可產(chan) 生 ２ ．８ 萬(wan) 億(yi) 度電能 ，２０５０ 年我們(men) 預期發電量為(wei) ９７２０ 億(yi) 度電 ，相當於(yu) ３０ 餘(yu) 噸鋰 。粗略估計足夠用上幾千年 。而海水中蘊藏的鋰比陸地上至少多一個(ge) 量級（約為(wei) 2300億(yi) 噸），如此類推 ，應該說鋰資源也不是問題 。（2008年該書(shu) 的說法，並沒有考慮到如今鋰電池汽車及鋰儲(chu) 能對鋰資源的急劇消耗，具體(ti) 請看下我前麵一篇關(guan) 於(yu) 鋰的文章。）


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