聚变知识书 › 第 01 章 · 聚变物理基础
聚变物理基础
从结合能到 D–T 反应：聚变为什么可行，又为什么难
1.1结合能：为什么聚变会放能
原子核由质子和中子组成，但核的总质量小于各核子质量之和——差出的质量按爱因斯坦质能关系 E=mc² 以能量形式释放。把每个核子的平均结合能对核子数作图，会得到著名的"结合能曲线"：铁-56 附近最高，两端较低。重核裂变（向曲线中部走）和轻核聚变（同样向中部走）都释放能量——这是核能两大路线共同的物理起点。太阳的的能量就来自氢的聚变。
1.2为什么首选氘-氚（D–T）
原子核都带正电，靠近时存在强大的库仑排斥（"势垒"）。燃料越轻、反应截面越大，需要的温度越低。在所有聚变反应中，氘（²H）与氚（³H）聚合成氦-4 的反应势垒最低、截面最大，因此第一代聚变堆几乎必然使用 D–T 燃料：
这个能量分配对工程至关重要：带电的 α 粒子（3.5 MeV）留在磁场里自加热等离子体，是"自持燃烧"的关键；不带电的中子（14.1 MeV）穿出磁笼，把能量送进包层变成热，同时把锂变成新氚。
1.3其他燃料循环
| 反应 | 产物 | 特点 |
|---|---|---|
| D–T | α(3.5) + n(14.1) MeV | 最容易点火；但要管理 14 MeV 中子与氚 |
| D–D | T/p 或 ³He/n | 燃料只靠海水；温度要求高一个量级 |
| D–³He | α + p（几乎无中子） | "先进燃料"，中子损伤小；³He 极稀缺 |
| p–¹¹B | 3α（无中子） | 最干净；温度要求最高，部分公司仍坚持探索 |
产业含义：第一代公司全部押注 D–T；"无中子"路线若成立，材料与维护成本可能大幅下降，但物理门槛更高。
1.4等离子体与劳森判据
上亿度的燃料处于等离子体态——电子与原子核分离的"物质第四态"，只能用磁场（或惯性压缩）约束。1957 年劳森给出判据：要让聚变输出超过输入，密度 n、温度 T、能量约束时间 τ 的乘积必须超过某个阈值（D–T 约 10²¹ keV·s/m³ 量级）。整个聚变工程史，就是一部"三重积"提升了 1 万亿倍、但仍需继续抬高的历史。
温度换算直觉：1 keV ≈ 1,160 万 ℃。D–T 最佳反应温度约 10–20 keV，即 1–2 亿℃——太阳核心（约 1,500 万℃）的近十倍。之所以可以比太阳更"热"，是因为我们密度低得多，靠磁场悬浮，不靠引力。