“核聚变”在多高的温度下会发生呢?为什么?
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发布时间：2022-04-26 07:50
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时间：2022-06-25 12:06
在全球气候变化的时代，以及对人类长期依赖化石能源的担忧，许多人认为解决方案在于替代能源，找到一个化石能源的替代能源，可以帮助我们减缓气候问题，因此核裂变能源应运而生。现在我们所有的核电站都是以核裂变反应为基础的，也就是以可控的方式将重原子*成较轻的结构。尽管有了化石能源的替代能源，但是核电站或者说核裂变有很多安全问题，比如说燃料是放射性的，废料的处理也一直是一个问题，另外核灾难事故也表明核电站造成的损失很高……
放射性核废料桶
核聚变更清洁，燃料也有更便宜，更丰富的来源，科学家可以从水中提取一种叫做氘的氢同位素，而这个过程中只有氦作为废物产生。如果核聚变技术可以实现并发挥其全部潜能，这将是一种无休止的，物排放的能源。有很多科幻作品都以核聚变为主要能源，核聚变可以说是未来能源的一个道路。不过，尽管科学家们进行了数十年的工作，大规模商用核聚变仍然是一个梦想。
核聚变很难大范围使用的原因核电站
这不是因为不可能实现，而是按照高能粒子物理标准无法实现甚至很难实现持续的聚变反应，也就是无法一直持续其过程，也可以理解为产生的能量远远低于启动和维持该过程所需的能量。说到聚变反应，我们大家一定都知道这个例子——氢弹，氢弹的威力大约是普通原子弹的1000倍。氢弹聚变反应所需的氢同位素被放置在普通裂变弹周围。裂变*爆炸的释放可以为聚变过程提供活化能（引发或开始反应所必需的能量）所需的能量。
小型氢弹爆炸实验
以核聚变能源角度来说，这不是什么新的概念，在我们的太阳上无时无刻不再发生核聚变，它就在我们的眼前，太阳通过氢原子核融合成氦来产生绝大部分能量。当原子核融合时，它们会产生一个较重的原子核，并在此过程中产生剩余能量。
那么为什么我们拥有裂变能力，却没有聚变能力呢？答案很简单，但是这令许多科学家很头痛：要使聚变发生在地球上，设施至少需要1亿摄氏度的温度，是太阳核心温度的六倍。1亿摄氏度的高温难以长时间维持，等离子体不可控，源材料不耐久等等问题都是核聚变的瓶颈。
太阳，天然的核聚变“设施”
说到这里有了另外一个问题，为什么太阳中心不断核聚变的温度比地球核聚变温度要低很多呢？为什么地球进行核聚变反应就需要1亿摄氏度呢？这是因为当前在地球上没有太阳中心的高压，而如果没有高压环境就需要极高的温度才能有核聚变的过程。换句话说，太阳核心的压力很大，所以1500万摄氏度就足以产生核聚变反应了。
原子是由中子和质子组成的原子核和电子组成：质子带正电，而中子不带电。原子核是原子的带正电核心，而绕原子核运动的电子是带负电的。如果整个原子像足球场一样大，则原子核的大小将不超过场*的一粒米。
这个模型为我们展示了通用核聚变计划用来压缩等离子体的设施
核聚变顾名思义就是“聚”字，也就是说原子核之间要靠得够近，够近是多近呢？大约是原子尺度的十万分之一。质子带正电，而中子不带电，所以质子和质子之间具有很大的排斥力，在太阳中心有极大的高压，压力越高，所需温度就越低。所以这就是地球上核聚变实验最低要达到1亿摄氏度的原因，也是目前核聚变难以维持长久的一个重要原因。
桑迪亚实验室中可以进行数百万安培的脉冲发生器核聚变设施
所以在之后出现了冷聚变这个术语，冷聚变也可被称为电子缚态核聚变，科学家希望核聚变反应可以在相对较低的温度下发生。一旦该理论目标被实现，这个理论就可以成为核聚变的核心理论。只可惜冷聚变这个理论在1980年代后期就被淘汰了，当时电化学学家Stanley Pons和Martin Fleischmann报告说实验产生了过多的热量以及很多未知的核副产物。
总而言之，核聚变是在高压力下让两个原子核碰撞并将它们融合成更大的原子核的过程，这一过程进行的时候会释放出大量能量。在地球上，想要进行核聚变实验，想要实现如此高压力高温度的环境就需要说到托卡马克，托卡马克是现代科学家实现核聚变的一种方式，那么托卡马克到底如何进行核聚变实验呢？
世界托卡马克介绍——地球上的核聚变实验设施地球上人造的核聚变反应发生在托卡马克之中，这是一个甜甜圈形的设施。研究人员需要在其中将气体泵入真空室，电流流过托卡马克中心。因为气体带电，所以形成了等离子体，然后通过磁场（由巨大的电磁线圈产生）将等离子体锁定在真空室内，这是为了模拟太阳核心的压力。无线电和微波被发射到等离子体中以提高其温度，在大约一亿度的温度下就会发生聚变。
JET欧洲联合托卡马克核聚变设施
除了加热反应室所需的高昂电费以外，刚才我们说到，核聚变持续反应的主要障碍是找到一种能够承受这么大热量的材料。另外，其实核聚变反应的这些磁场与某些科幻飞船翘曲动力核心上看到的磁场没有什么不同，都是高热高压的产物。
近期核聚变界已经确定了主流的可控核聚变项目，包括聚变物理学研究和对反应堆可操作性的综合分析，另一个是暴露于强中子通量的聚变材料的性质。一般而言，这些研发有助于更好地确定商业反应堆核聚变电站FPP的运行任务和要求。
圣地亚哥的DIII-D托卡马克核聚变设施内部，该聚变反应堆圆环形腔室内覆盖有石墨，这有助于承受极高的热量，内部还有一个人说明了该核聚变设施的尺寸
要确定反应堆的每个参数和特性并不是一件容易的事。首先科学家们多次定义了托卡马克的设计原理和结构，其关键系统有MS系统，包括环形和多极场线圈，*螺线管，有源控制线圈和校正线圈；带有容器内部件和端口的真空容器；等离子附加热和电流驱动系统；辐射屏蔽层；等离子体位置和形状控制系统；真空维持系统；诊断和控制系统和电源系统等结构。
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时间：2022-06-25 12:06
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时间：2022-06-25 12:07
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时间：2022-06-25 12:07
核聚变发生条件产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。我们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。
