從核裂變的途徑獲得核能，相對來說比較容易些，而且已經(jīng)取得了很大的成功。但是，以核裂變作為能源，也有許多難以克服的問題。一方面鈾、釷的儲量有一定的限度；另一方面，裂變所產(chǎn)生的放射性碎片愈來愈多，這些放射性廢物日積月累，如何處理它們也是一個很麻煩的問題。因此，利用核能的另一個途徑?核聚變，就是一個大家非常關(guān)心的問題。核聚變在上述兩大問題方面，有絕對的有利條件和優(yōu)勢。

    還在裂變發(fā)現(xiàn)之前，物理學(xué)家就已經(jīng)知道輕核相互作用發(fā)生核反應(yīng)時會放出很大的能量，而且這種反應(yīng)的結(jié)果是產(chǎn)生比原來的核更重的核。因此，就把這類反應(yīng)統(tǒng)稱為聚變反應(yīng)，放出的能量就稱聚變能。

    科學(xué)家從聚變研究中知道，太陽和另外的某些星球之所以能夠在漫長的歲月中繼續(xù)不斷地向外散發(fā)能量，就是因為在它的內(nèi)部進行著上述的聚變反應(yīng)。前面已經(jīng)介紹過，太陽的光和熱主要來自氫核聚變形成氦原子核時所釋放的能量。太陽到了老年階段，氦原子核也要再聚變形成更重的原子核，最后再收縮耗盡它的全部能量而了卻一生。在比我們的太陽更老的星體中，氦原子核可能已經(jīng)聚合形成了較重元素的原子核。根據(jù)普遍承認的星體演化理論，元素周期表上的元素，直到鈾元素以及所有的超鈾元素，都是在星體壽命晚期階段的原子核生成反應(yīng)中產(chǎn)生出來的。在新星爆炸中，這些新產(chǎn)生的原子核噴射入宇宙中，當(dāng)它們冷卻時，將其保護性的電子殼層在其周圍集合起來，從而變成易于對待的中性原子。那些構(gòu)成地球上有生命物質(zhì)精細秩序的原子，可能起源于遙遠的和現(xiàn)在早已死亡的星球中央的原子核混沌。由此可見，聚變反應(yīng)是多么的神圣，它不但是宇宙光明的使者，而且是宇宙萬物的造化者。

    在地球上已經(jīng)造出了熱核武器。熱核武器中進行的也正是聚變反應(yīng)，它在很短時間內(nèi)釋放出大量能量，從而具有很大的破壞力。但是熱核武器釋放的能量是不能控制的，不能廣泛地應(yīng)用于經(jīng)濟建設(shè)。因此，科學(xué)家目前正在尋找方法，使聚變的能量能夠在受人控制的條件下釋放出來并加以利用。像費米建造第一個核裂變反應(yīng)堆那樣，誰能在世界上首先建造起第一個核聚變反應(yīng)堆，那時人們給他樹立的紀念碑，就會比芝加哥大學(xué)為第一個核裂變堆試驗成功樹立的紀念碑更加精美而堂皇。

    從研究裂變反應(yīng)中，我們知道實驗室進行的少數(shù)次裂變反應(yīng)所放出的能量是很少的，可能還沒有為實驗而消耗的能量多。直到鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)成功以后，裂變能才有了實際利用價值。聚變能也是一樣，也只有實現(xiàn)了自持式聚變反應(yīng)時，才談得上利用。

    太陽中的聚變反應(yīng)是一種熱核反應(yīng)，即由高溫引起的原子核反應(yīng)。熱核反應(yīng)，相當(dāng)準(zhǔn)確地說，就是原子核燃燒。它們類似于普通的化學(xué)燃燒。在化學(xué)的燃燒中，高溫引起反應(yīng)，而由反應(yīng)釋放的能量又維持著高溫并傳播火焰。化學(xué)反應(yīng)可以通過幾個步驟來進行，其凈效果是原子結(jié)合成更緊密束縛的分子。原子核燃燒也一樣可以由這些特點來表征。由高溫引起和蔓延的反應(yīng)或一系列反應(yīng)產(chǎn)生了更加緊密束縛的原子核。除了反應(yīng)粒子的性質(zhì)之外，差別只是規(guī)模的問題。

    從燃燒的角度我們可以理解，聚變反應(yīng)沒有臨界質(zhì)量和臨界體積的問題，燃料再多也沒問題，它自己燃不起來。但是很明顯，燃燒有一個“燃點”的問題，也就是燃燒的臨界溫度問題，這是聚變反應(yīng)的關(guān)鍵。熱核反應(yīng)的溫度至少要幾千萬度甚至上億度，它的火焰要比化學(xué)反應(yīng)至少熱一萬倍和強百萬倍。

    我們來看看核聚變反應(yīng)為什么要如此高的溫度！從原子核的小尺寸以及他們之間的電性斥力，可以相當(dāng)簡單地來理解熱核反應(yīng)所需的溫度。為了使一對氘核，或一個氘核和一個氚核“接觸”，也就是足夠緊密地緊靠在一起，其中心距離必須不大于10^-14米，在這個間距下，兩個原子核之間的電位能可容易地計算出來：

    式中k是電場力常數(shù)，e是氘核的電量，r是兩個氘核之間的距離。

    雖然這個能量比加速器中可利用的能量小，但與普通熱能相比卻大得多了。在能夠使所有物質(zhì)蒸發(fā)的一萬度的溫度下，每個粒子熱運動的平均動能也只有1.3eV。上面計算出氘－氘碰撞要克服的電位壘144keV比物質(zhì)蒸發(fā)時的粒子動能要大十萬倍。

    我們知道，當(dāng)物質(zhì)的溫度升高時，它的粒子的動能也隨著升高。熱力學(xué)證明，處于熱運動中的粒子的平均動能等于(3/2)kT，其中k是波耳茲曼常數(shù)（1.38×10^-23焦耳/度）。當(dāng)物質(zhì)溫度漸漸升高時，原子外部的一個電子就會由于電離作用而成為自由電子，留下來的就是一次電離的離子。如果原子外層還有電子，那么隨著溫度再升高，又可以使第二個、第三個……電子變成自由電子，留下來的就是二次、三次等高次電離的離子。溫度越高，電離次數(shù)也越高，原子最終可以達到完全電離，這時離子就是核本身。這種電離了的物質(zhì)我們稱之為等離子體。

    熱核反應(yīng)就是在高溫等離子體中進行的。處于高溫狀態(tài)的核的動能也不都是一樣的，在一定的溫度T下，具有不同動能的核的數(shù)目占全部核的比例服從麥克斯韋分布。大部分核的動能是在kT左右。動能比kT大很多的核不多，小很多的核也不多，但核的平均動能仍然是等于(3/2)kT。由于大部分核的動能在kT左右，所以把kT的能量單位用電子伏（eV)來表示。一電子伏溫度相當(dāng)于1.16×10⁴ K（絕對溫度）。一億度是8.6千電子伏(keV)，這時候核的平均動能是13 keV。

    為使平均每一對氘核在一次正碰撞中，可以相互接近到10^-14米以內(nèi)，需要的溫度會是多少？如圖2.18所示。我們假定在高溫下每個氘核具有(3/2)kT 的動能，恰好等于克服它們之間總電位能值的一半（72keV）。因為是對碰，對方的動能與之相等，也占一半。則

    從而算出T＝5.6×10⁸ K。也就是比5億度還要高。若用能量作單位，則kT＝48 keV。

圖2.18    氘核對撞示意圖

    實際點燃氘核的溫度并不必須是這樣大的值，這有兩個原因：第一，某些原子核的動能比平均值大很多，他們可以比較容易地克服電性斥力；第二，有顯著的勢壘穿透效應(yīng)存在，即那些動能較低的原子核也有一定的幾率穿透核力勢壘。實際上熱核爆炸大約在6×10⁷ K（kT＝5 keV）的溫度下進行。這個溫度可以點燃聚變炸彈，但是不能用于能量的受控釋放。受控?zé)岷朔磻?yīng)設(shè)想的溫度要高些，大約是2×10⁸K。

    根據(jù)現(xiàn)有知識，人類最有希望利用的聚變反應(yīng)道列于表2.1。其中9、10兩種是中子與輕核的反應(yīng)，雖然不屬聚變反應(yīng)，但是裂變反應(yīng)和許多聚變反應(yīng)都有中子放出，是可以利用的核反應(yīng)道。

    我們將這些反應(yīng)與鈾核的裂變反應(yīng)比較后就會發(fā)現(xiàn)，同樣質(zhì)量的核燃料，聚變反應(yīng)會比裂變反應(yīng)放出更多的能量。例如，同樣重量的氘，在全部實現(xiàn)反應(yīng)時釋放出來的能量約比鈾大三倍。如果是氘和氚聚變，一公斤氘氚完全燃燒放出的能量，相當(dāng)于8萬噸TNT爆炸的能量，它比一公斤鈾-235完全裂變放出的能量約大四倍。

    上表列出的聚變反應(yīng)道中，⑴、⑵和⑶是人們最感興趣的。這是因為⑴、⑵反應(yīng)中所用的氘，在自然界中含量是非常豐富的。自然界的水中含有氫，氫里含有1/6000的氘。根據(jù)地球上的海水量以及⑴至⑷所給的數(shù)值，若海水中的氘都能起聚變反應(yīng)，那么它所產(chǎn)生的能量就足以供人類使用兩百億年！

    但是氘不能直接作為聚變炸彈的燃料，因為作為武器用的核燃料，必須是高密度的。為了高密度儲存氘，必須把它冷卻到液化溫度20K（-253⁰C）以下。這要求精密的致冷技術(shù)。聚變彈中實際用的燃料是氘化鋰⁶（⁶Li²D)，它在常溫常壓下是固體，其理由將在第四章中討論。

    對反應(yīng)⑶特別感興趣是因為它發(fā)生的可能性最大，也就是說氘氚反應(yīng)比較容易實現(xiàn)。圖2.19是氘氚聚變反應(yīng)示意圖。

圖2.19    氘氚聚變反應(yīng)示意圖

    其核反應(yīng)式如下：

²D + ³T      ⁴He + ¹n + 17.6兆電子伏

    氘氚（DT）反應(yīng)在6×10⁷K的溫度下可以迅速地進行。每個核子大約釋放出3.5兆電子伏的結(jié)合能?？偨Y(jié)合能17.6兆電子伏的大部分以中子的動能（14兆電子伏）形式出現(xiàn)。但可惜自然界中不存在氚，氚必須在原子反應(yīng)堆中制造，氚的價格目前還是很貴的。

    根據(jù)聚變反應(yīng)的規(guī)律，等離子體中每單位體積中每秒鐘內(nèi)核反應(yīng)的數(shù)目為：

g＝n₁n₂〈sn 〉

    n₁，n₂是參與反應(yīng)的核的密度（每立方厘米多少個核），〈sn 〉稱為反應(yīng)率，它代表熱核反應(yīng)概率的大小，它與溫度有很大的關(guān)系。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后得到的氘-氘和氘-氚反應(yīng)率如圖2.20所示。從圖中可以看出：第一，反應(yīng)率隨溫度的變化是很快的；其次，氘-氚反應(yīng)的反應(yīng)率比氘-氘反應(yīng)的大1～2個數(shù)量級。因此氘-氚反應(yīng)應(yīng)該是比較容易實現(xiàn)的。

圖2.20    氘-氚和氘-氘反應(yīng)率與溫度的關(guān)系

    由反應(yīng)率曲線還可以看到，在幾百萬度下也有聚變反應(yīng)產(chǎn)生，為什么前面說要幾千萬度才能點火呢？這是因為在溫度不太高時，熱核反應(yīng)率很低的緣故。任何高溫物體都會向外輻射能量，要維持一定高的溫度，就必須在物體內(nèi)部產(chǎn)生或從物體外部傳給物體以足夠的能量，否則，物體將逐漸冷卻。在高溫等離子體情況下，這種輻射主要是由電子與離子碰撞產(chǎn)生的（稱為軔致輻射，就是X射線）。當(dāng)溫度較低時，單位時間熱核反應(yīng)放出的能量少，還不如輻射損失的多，從能量增益的角度看是負增益，叫做“得不償失”。當(dāng)溫度達到某一臨界溫度，單位時間熱核反應(yīng)放出的能量，等于輻射損失的能量，雖然能量增益等于零，但已經(jīng)作到“得失相當(dāng)”，熱核反應(yīng)勉強可以持續(xù)進行。只有溫度超過某一臨界溫度時，單位時間熱核反應(yīng)放出的能量，才會大于輻射損失的能量，才有可能使等離子體依靠自身所釋放出的能量繼續(xù)維持高溫進行熱核反應(yīng)。這時能量增益為正，單位時間得到的比損失的多，就可以向外輸出能量了。目前世界上的能源科學(xué)家和工程師們，正在為實現(xiàn)熱核反應(yīng)器的能量增益為正這個目標(biāo)而努力。

    熱核反應(yīng)器作為動力源，除了單位質(zhì)量釋放的能量比裂變反應(yīng)的多，而且具有燃料來源無窮、各地都有、價格便宜等優(yōu)點外，它還有兩個突出的優(yōu)點：一是沒有放射性廢物處理問題（因為聚合后的原子核質(zhì)量數(shù)也不算大，沒有多余的質(zhì)子—中子轉(zhuǎn)變，不會發(fā)生衰變，也沒有伴生的放射性）；二是有可能直接發(fā)電，而不必應(yīng)用價值昂貴且效率較低的熱機。所以聚變反應(yīng)能的發(fā)展前途比裂變反應(yīng)能的發(fā)展前途，有相當(dāng)大的優(yōu)勢。