核裂变与核聚变

第三节　核裂变与核聚变

核裂变

一个重原子核分裂成为两个（或更多个）中等质量碎片的现象。按分裂的方式裂变可分为自发裂变和感生裂变。自发裂变是没有外部作用时的裂变，类似于放射性衰变，是重核不稳定性的一种表现；感生裂变是在外来粒子（最常见的是中子）轰击下产生的裂变。

1934年，费米等人用中子照射铀，企图使铀核俘获中子，再经过β衰变得到原子序数为93或更高的超铀元素，这引起了不少化学家的关注。

在1934—1938年间，许多人做了这种实验，但是不同的研究者得到了不同的结果，有的声称发现了超铀元素，有的却说得到了镭和锕。

1908年，哈恩和斯特拉斯曼做了一系列严格的化学实验来鉴别这些放射性产物，结论是：所谓的镭和锕实际上是原子量远比它们小的镧和钡。对这种现象，只有假设原子核分裂为两个或两个以上的碎块才能给予解释。这种分裂过程被称为裂变。

1939年迈特纳和弗里施首先建议用带电液滴的分裂来解释裂变现象。同年玻尔和惠勒在原子核液滴模型和统计理论的基础上系统地研究了原子核的裂变过程，奠定了裂变理论的基础。

1940年，彼得扎克和弗廖罗夫观察到铀核会自行发生裂变，从而发现了一种新的放射性衰变方式——自发裂变。1947年，钱三强等发现了三分裂（即分成三个碎片，第三个可以是α粒子，也可以是和另外两个碎片质量相近的碎片）。1955年，玻尔根据原子核的集体模型提出了裂变道的概念，把裂变理论推进了一步。1962年，波利卡诺夫等发现了自发裂变同质异能态。1967年，斯特鲁金斯基提出了在液滴模型基础上加壳修正的“宏观－微观”方法，导出了双峰裂变势垒，这是裂变研究史上的又一新成果。

对裂变现象的研究，几十年来始终是核物理的一个活跃的分支。这是由于：①裂变有着重大的实用价值；②裂变是一个极复杂的核过程，研究这一过程有助于原子核物理学的发展。在裂变发现后，很快就弄清楚了，裂变时不但释放出巨大的能量，而且同时还发射出几个中子。既然中子能引起裂变，裂变又产生更多的中子，因此可以通过链式反应在宏观尺度上使原子核释放出能量来。这就找到了大规模利用核能的途径。除了巨大的核能在军事和能源方面的实际应用之外，随着反应堆的建立，放射性同位素开始大规模生产并广泛应用于工农医等各部门。从发现衰变到掌握原子能，是20世纪科学史上的重要一页。下面我们将着重介绍裂变反应堆。

裂变反应堆是一种实现可控核裂变链式反应的装置，是核能事业中最重要的装置之一，通常简称为反应堆或堆。

1938年啥恩和斯特拉斯曼发现了铀的原子核裂变后，接着科学家们就开始探索如何利用核裂变所放出的巨大能量。一个铀原子核裂变时放出约200MeV的能量，比一个碳原子氧化时放出的能量（4．1eV）大5×10⁷倍左右。要使裂变能有实际应用意义，必须有大量铀核裂变。铀核的裂变主要由中子引起，因此问题就归结为如何取得大量中子。由于铀核裂变后会放出几个中子，人们就想到了在成块物质中利用核裂变本身产生的中子来引起新的核裂变，使裂变反应持续进行，形成核链式反应。

1942年12月，费米领导的科学家小组建成了世界上第一座人工的裂变反应堆，首次实现了可控核裂变链式反应。接着美国首先利用反应堆把铀－238转化为钚－239，作为原子弹的装料制成了钚原子弹，后来又用反应堆作为动力源建成了核潜艇。

20世纪40年代和50年代，反应堆主要为军事目的服务。从50年代中期起，世界上大量建造用于各种研究工作的反应堆，同时开始建立把反应堆用来发电的核电站。核电站的燃料资源丰富，经济性好，燃料用量很小，优点很多。60年代中期起，许多国家已在大力发展核电站，或称发展核动力。这以后的十几年中，核动力的发展很快。目前，世界上已有428座核电站在运行，总功率达4亿多千瓦，约占世界发电总量的。

1．反应堆工作原理

（1）裂变链式反应

自持的裂变反应叫做裂变链式反应。例如铀－235的核吸收一个中子后发生裂变，又放出两三个中子，除去消耗，至少还有一个中子能引起另一个铀－235核发生裂变，使裂变自持地进行下去。核裂变链式反应的进行过程基本上是一个以中子为媒介的，裂变核素部分质量转化为能量的过程。

在反应堆内产生核链式反应的物质称为核燃料，又称裂变材料。只有能大量获得，且易吸收热中子并引起裂变的核素才能作为核燃料。这种核素有铀－235、铀－233和钚－239三种。只有铀－235存在于天然铀中，而铀－233和钚－239都要靠反应堆生产。

用反应堆产生核能，需要解决以下几个问题：

①为核裂变链式反应提供必要的条件，使链式反应持续进行，并能把反应中产生的能量取出来应用；

②能控制链式反应，使其按工作需要进行；

③避免核裂变链式反应所产生的中子或放射性物质危害工作人员和附近居民的身体健康。

在反应堆内，中子只有三种归宿：引起裂变、被吸收或逸出堆外。要实现核链式反应，就必须设法减少后两种损失。铀－235是奇A核，结合能小，俘获中子后形成的复合核裂变势垒较低，任何能量的中子都可使它裂变，且对热中子有很大的裂变截面；铀－238是偶偶核，结合能较大，复合核裂变势垒较高，只有能量超过1MeV的高能中子才能使它裂变，而且裂变截面不大。高能中子同铀－238核的主要作用是非弹性散射，大部分裂变中子都通过非弹性散射降低能量，再在多次碰撞中被铀238核吸收，不能实现核链式反应。天然铀的主要成分是铀－238，而铀－235仅占0．71%，要利用天然铀实现核链式反应有两种途径：①用分离同位素的方法增加天然铀中铀－235的浓度，称浓缩铀或浓集铀。这样处理后，甚至用比较小的装置也能实现核链式反应，这种反应堆中引起裂变反应的中子能量可以高一些，因此能建成快中子反应堆；②将天然铀或低浓集铀制成较细的棒，插在减速剂（通常用吸收中子截面较小的，如水、重水和石墨等轻物质）中，使核裂变放出的高能中子很快减速到热能区，而铀－235热中子裂变截面比铀238的热中子吸收截面要大200倍。这样就有足够数量的中子引起铀－235核裂变，以弥补铀－235含量较少的弱点。根据这种途径建立的反应堆称为热中子堆。目前用于发电、供热、提供动力和研究的反应堆大都是这类堆。

（2）临界状态值

为了防止过多的中子在引起裂变前逸出反应堆，反应堆要足够大，并具有足够多的燃料。通常把反应堆中通过裂变等过程得到的中子数（即下一代中子数）同引起裂变的中子数（即上一代中子数）之比称为中子增殖系数（用符号κ表示）。核链式反应的规模维持不变的状态称为临界状态，此时堆芯的体积和堆内核燃料的质量分别称为临界体积和临界质量。堆芯的体积和核燃料的质量大于临界值时中子增殖系数大于1，核链式反应的规模就越来越大，这种状态称为超临界状态；反之，堆芯的体积和核燃料的质量小于临界值时中子增殖系数小于1，核链式反应的规模就越来越小，反应逐渐趋于停止，这种状态称为次临界状态。临界值对判断和控制裂变反应堆的运行状态有重要意义。

2．裂变反应堆的组成

反应堆内具有特定形状和结构的核燃料称为燃料元件。反应堆的核心部分称为堆芯，又称活性区。堆芯主要由燃料元件、慢化剂和一些结构部件组成，还需有冷却剂流过堆芯。一般情况下在堆芯周围设有反射层，把外逸的部分中子送回堆芯，以减少中子的损失。反射层以外是堆的壳体，再外面是屏蔽层。

燃料元件是堆芯的主要部件。大多数反应堆采用圆棒形燃料元件，也有用片形、圆管形、球形、六角管形等元件的。它主要由裂变材料芯片（或芯体）和包壳两部分组成。裂变材料应具有良好的辐照和化学稳定性、高导热系数和低膨胀系数（金属、合金、氧化物或碳化物等形式都可以应用）。可以用天然铀，也可以用浓缩铀作裂变材料，用钚作裂变材料时可以单独使用，也可以同铀混合使用。元件包壳起支撑结构作用，同时也用来防止裂变产物外逸污染冷却剂回路，并防止冷却剂同裂变材料直接接触发生腐蚀等不利的化学反应。包壳材料要求对中子有较小的吸收截面，足够的机械强度，良好的热导率，耐辐照，同裂变材料和冷却剂在化学上能相容，价格低廉，易于加工。低温小功率反应堆可以用铝或其合金傲元件包壳，核电站用反应堆一般用锆合金做包壳，也有用不锈钢的，在温度高达700℃以上的高温气冷堆中则用石墨做燃料包壳。

铀－238和钍－232本身不易产生裂变。但它们吸收中子后能变成钚－239和铀－233等裂变材料，因此有人又称之为次级裂变材料。在用铀为燃料的反应堆内总有铀－238存在，由它转化而得的钚－239一部分在堆内被作为燃料消耗掉，另一部分留存在由堆内卸出的辐照后燃料中。将这种辐照后燃料加以化学处理（即后处理），可以回收钚－239。将钍－232加入燃料元件中放在反射层中，可以得到铀－233。

为了应用反应堆中产生的热量，并且不使堆芯和反射层因受到高热而损坏，就要用液体或气体作为冷却剂流经反应堆，把热量引导出来，用以产生蒸气去发电或作为动力，或用于其它方面。冷却剂除应具有同慢化剂相似的性能（要求可以略低一些）外，还需要具有高导热能力。常用的冷却剂为普通水、重水、氦和二氧化碳，在快中子增殖堆中则用液态金属钠作冷却剂。冷却剂的用量很大，需要循环回收使用，即使用普通水作冷却剂，由于对水质的要求很高并在中子照射下带有放射性等原因，也需回收循环使用。因此，一般情况下，用水泵、风机和管道组成一个冷却回路，让冷却剂在其中循环流动，在一些用于发电的反应堆中，冷却回路被称为一回路。多数情况下在一回路中没有热交换器，而是把热能传给二回路中的水，以产生蒸气送去发电或作为动力。在某些反应堆中，慢化剂和冷却剂用同一种材料。

3．裂变反应堆的控制

通常称反应堆中每代中子平均存在的时间为堆中子寿命。裂变过程中直接放出的中子占中子总数99%以上，在一般堆内寿命为10^－4—10^－3s量级的中子，称为瞬发中子；另外一部分不到1%的中子是一些裂变碎片核放出来的，这些核称为缓发中子先驱核，它们以几分之一秒到几十秒的半衰期放出中子，这些中子称为缓发中子。启动反应堆，先要使堆进入超临界状态（即中子增殖系数大于1），堆内中子数才能开始按指数规律增长。中子增殖系数超过1的部分称为剩余中子增殖系数。如堆内瞬发中子寿命为10^－4s，剩余中子增殖系数数值超过了缓发中子份额，例如为0．01，反应堆不依靠缓发中子就可以维持超临界状态，则其功率增长将难以控制。如果剩余中子增殖系数小于缓发中子份额，反应堆要依靠缓发中子才能维持超临界状态，则由于决定于先驱核半衰期的缓发中子寿命较长，平均说来可使全堆中子寿命延长两个星级以上，堆内中子数就会以缓慢的速度增长，也就可能对它加以控制了。所以控制反应堆的关键在于保持剩余中子增殖系数不大于缓发中子份额。在用铀－235作燃料的反应堆中，缓发中子份额约为0．007。在反应堆的控制中经常不用剩余中子增殖系数而用反应性这个概念，常用符号ρ表示，其定义为ρ＝（κ－1）／κ。由定义可见，在中子增殖系数κ接近于1时，剩余中子增殖系数同反应性的数值是很接近的。

为了实现对反应堆的控制，主要方法是向堆内增加或减少能强烈吸收中子的材料来改变堆的反应性。硼、铪、镉及其化合物都可以用作控制材料，通常把它们做成棒状或片状应用，称为控制棒。控制材料也可以用液体形式，例如，把硼酸水溶液加到用作慢化剂和冷却剂的水中，就可以起控制作用，但这一方法只能在反应性变化较慢的条件下应用。中子增殖系数不仅同中子在堆内的生成和吸收有关，还同中子由堆内往外的泄漏有关。因此，在用液体作为慢化剂或冷却剂和反射层的堆中，调节液态反射层水位，从而改变中子的泄漏份额也可以用作控制反应堆的方法。

控制棒可以分为安全棒、补偿棒和调节棒三种。安全棒的作用是当反应堆发生意外或事故时，它可以依靠重力或弹簧装置迅速进入堆芯使反应堆停闭，从而保证安全；补偿棒用来补偿堆内反应性的缓慢变化；调节棒的作用在于用以调整反应堆的功率，使之达到并维持给定水平。对控制材料的要求是，吸收中子的能力强，热稳定性和辐照稳定性好，同冷却剂的相容性好，有一定机械强度并易于加工制造。

4．裂变反应堆的屏蔽

反应堆运行过程中产生大量中子，同时裂变产物具有极强的放射性。为使反应堆的操作人员身体健康不受各种放射线的伤害，反应堆的外部设有很厚的屏蔽层。快中子有很强的穿透力，慢中子比较容易被一般材料吸收，用一定的慢化材料把快中子慢化下来，着重对慢中子屏蔽，就实现了中子屏蔽。γ射线也具有强穿透力，要用含有重元素的材料才能有效地屏蔽γ射线。铅对γ射线的屏蔽性能很好，但价格较贵，不能广泛使用。一般是用混凝土中加入铁矿石或用较厚的混凝土层作屏蔽层。屏蔽层的厚度决定于反应堆的功率，有时达3—4m以上。

5．裂变反应堆的类型

可以从不同角度划分反应堆的类型，用途、堆芯结构、采用的核燃料、冷却剂和慢化剂、堆内中子能最、中子在堆内能否使核燃料增殖等因素都可以作为分类标准。按照用途可以把反应堆大致分为生产堆、研究试验堆和动力堆（包括供热堆）三大类；也可以分为军用和民用两大类。

（1）生产堆主要用来生产核武器装料用的钚－239和氚，也可附带生产一点别的放射性核素。只有发展核武器的核大国才建造这种堆。

（2）研究试验堆用途很广，可以用它做基础研究，也可以用它进行工程研究，还可以用它生产同位素。研究堆可以用于核物理、中子物理、凝聚态物理、辐射化学、生物学、医学、材料科学等许多学科基础研究的实验的中子源。所以有人把研究堆称为中子源用堆。工程研究堆大致可分成两类：

①功率极低（一般在100W以下）的堆叫做零功率堆或零功率装置。零功率堆的大部分物理性能不随堆的功率高低发生显著变化，结构简单灵活，放射性极低，工作人员易于接近操作，改变条件就可以进行各种实验研究。有一时期，在中子数据不齐全、电子计算机性能也不够好的条件下常用零功率堆模拟研究新型堆的物理性能，以所得的资料作为新堆的设计基础。随着堆技术的进展，这种堆大部分已停止使用，只有少数研究先进堆型的堆还在运行，②功率为几万到十几万千瓦的工程研究堆，主要用来研究新型堆的燃料元件和各种堆用材料的辐照性能。

（3）动力堆用来发电或提供动力，单纯提供热能的堆也可归入这一类型。这类堆有军用民用之分。军用动力堆主要用来生产军舰汽轮机用的蒸汽，特别在潜艇上用得最多。民用动力堆（以下简称动力堆）主要用在核电站中，它起着火电站中锅炉的作用。民用堆又可以分为快中子堆、慢中子堆。到20世纪70年代前期为止，慢中子堆技术已进入成熟阶段，其特征是大型慢中子堆核电站的发电成本显著地低于火电站。技术比较成熟的慢中子动力堆有压水堆、沸水堆、重水堆和石墨气冷堆四种。

①压水堆。用普通水作慢化剂和冷却剂，用浓缩氧化铀为燃料，锆合金或不锈钢作包壳。堆芯装在压力壳中，堆匀的压力约为150atm，堆芯出口处温度可达330℃左右。这种堆通过蒸汽发生器来产生发电用的蒸汽，堆芯体积较小，功率密度较大。压水堆是目前国际上最多的堆型（军用动力堆也是用的这种堆型），已有30多年的历史。堆的热效率由28%提高到34%，功率密度由52kw／1提高到100kw／1，平均燃耗由7800MW·d／t提高到了38000MW·d／t。相对其它堆型，它的比投资和发电成本同沸水堆差不多而低于重水堆和石墨气冷堆。

②沸水堆。是同压水堆相近的一种慢中子堆，同压水堆的主要区别是沸水堆中容许水在堆芯内沸腾产生蒸汽，并把蒸汽直接送去推动汽轮机，堆内温度和压力都比压水堆低些。它不用蒸汽发生器，但功率密度只有压水堆的一半左右，堆芯体积和压力壳比压力堆大得多，所以造价同压水堆相当。安全性能较好是沸水堆的一个重要优点。沸水堆的功率意外升高时堆芯中的水加速沸腾，气泡增多，水所占的体积降低，慢化能力减小，反应性就下降，功率随之下降。

⑧重水堆。用重水为慢化剂，冷却剂可以用重水，也可以用普通水、有机物或气体，但以用重水冷却的最多。熏水堆的最大优点是可以用天然铀为燃料。管式重水堆可以不停堆更换燃料元件，用这种堆的核电站负载因子较高也是重水堆的重要优点。重水堆的缺点是（重水）价格昂贵，重水回路密封要求高。重水堆的发电成本比其它水堆略高，运动维修也要复杂一些。

④石墨气冷堆。用天然铀或浓缩铀作燃料，二氧化碳为冷却剂。用这种堆发电，成本也低于燃煤发电，但堆的体积比水堆大得多，所用设备也较笨重，单位功率的投资比水堆约高20%，发电成本也比水堆高不少。因此，虽然这种堆型的技术也已成熟，目前除英国外，其它国家都已不再建造这种堆。

6．核裂变发电站

1954年，前苏联建成了世界上第一座热中子核电站，而后被世界各国广泛推广。目前世界上已经投入运行的热中子核电站已有428座，在建的有61座，遍布各大洲34个国家和地区，总装机容量已达4亿多千瓦，约占世界发电总量的1／5。其中从已运行的装机容昔来看，美国占首位约占世界的1／3，其次为法国、日本、德国和俄罗斯。法国已有57座核电站在运行，发电罱占其全国总发电量的77%，为世界之最。我国大陆核电发展较晚，目前仅有秦山核电站和大亚湾核电站两座，装机容量仅占总装机容量的1%左右。

核电虽然造价较高，但运行成本低于火电，环境污染也比火电小得多，作为一种极好的能源，将来会在全世界广泛推广使用。

受控热核聚变

受控热核聚变是轻等离子体核加热到很高的温度，以克服原子核之间的库仑排斥力，使在可控制的条件下发生大量的原子核聚变反应而释放出能量的一种核反应过程。1952年到1953年，美国、前苏联相继试验了氢弹，实现了非受控的即爆炸式的热核聚变。从那时以来，人们一直研究如何实现受控热核聚变，用来解决人类的能源问题。以下分别说明受控热核聚变这项开发性研究的一些特点。

1．聚变能源

目前，全世界每年新探明的石油储量小于当年的开采量，呈现了石油的总危机。煤的储量比石油丰富。然而这类化石燃料的资源终究是很有限的。目前已知可利用的化石燃料热值估约100Q（1Q＝1．05×10²¹焦耳），设全球每年消费能量1Q，只敷百年之用。

自从20世纪中叶开始建立裂变原子能电站以来，至今它已发展为成熟的技术。虽然核裂变燃料（铀）的热值比碳氢燃料高得多，但是对于有开采价值的铀矿来说，日前的估计，即使应用增殖堆来增殖燃料，其可利用的热值总数200Q，也只够两个世纪的需要。

因此，有必要发展受控热核聚变以弥补化石燃料与核裂变燃料将来的短缺。受控热核聚变的燃料是重氢——氘，它普遍地存在于自然界的水中。重水（D₂O）约占水分子数的七千分之一。聚变燃料具有很高的热值，1公斤氘相当于4公斤的铀（²³⁵U）、8600吨汽油或11000吨煤，也就是1桶水的聚变能抵400桶汽油。

全地球水的总聚变潜能为1．5×10¹⁰Q，足供人类使用百亿年，超过迄今为止的地球的历史年代。就拿较易实现的氘氚聚变来说，再生氚所需要的锂（⁶Li）也足够用千年。因此可以说，受控热核聚变的实现将为人类提供取之不尽的新能源。目前就燃料成本来说，氘比煤便宜干倍，比石油便宜万倍。

核聚变与核裂变相比较，除了其燃料无比丰富与价廉之外，还有放射性污染相对少的优点。聚变过程中的氚虽是放射性元素，但其半衰期比较短（12年），且其放射性低，生物效应也较弱，比起裂变碎片的放射性处理要简单得多。但经中子撞击而激活的结构物质，聚变堆与裂变堆中都有，同样要设置屏蔽。

除了纯聚变反应堆以外，也有可能使用聚变裂变混合堆，它利用聚变产生的强大的中子流，使裂变堆中的²³⁸ U或²³²Th转换为²³⁹Pu或²³³U，成为有用的裂变燃料。并且14MeV中子也能引起²³⁸U裂变的能量输出倍增效应。它使聚变有增益的条件放宽，较易实现。

2．热核聚变

几种典型的聚变反应为：

D＋D→T（1．01MeV）＋p（3．03MeV）

或D＋D→³He（0．82MeV）＋n（2．45MeV）

D＋T→⁴He（3．52MeV）＋n（14．06MeV）

D＋³He→³He（3．67MeV）＋p（14．67MeV）这里D即氘，T即氚，p即质子，n即中子。D－D的两种反应的几率相等。以纯氘为燃料的反应，如果温度足够高，上述反应都可发生，则

3D→⁴He（3．59MeV）＋p（8．85MeV）＋n（8．25MeV）＋0．915MeV即每烧掉1个氘核得7．2MeV的能最，其中38%为中子所携带，其余属于荷电粒子。氘－氚聚变反应的能量的80%由中子携带，20%为α粒子（⁴He核）所携带。

由于这些轻核都是带正电的，相互之间存在库仑斥力，要使它们能够相互靠拢，然后依靠短程的核力来实现融合，就必须让它们具有足够的动能，电就是说要为它们提供足够高的温度。两个轻核发生聚变的几率（也就是聚变反应截面）除了取决于温度外也与轻核介质的密度有关，因为介质密度愈大轻核之间发生碰撞的机会也愈大。

与核裂变能的应用需要实现链式反应一样，对于核聚变能的应用也必须实现自持的聚变，也就是说从核聚变释放出来的能量，除去各种损失后，剩余的能量能在足够长的时间内维持能使核聚变反应继续进行的温度和密度。1957年，英国物理学家劳森把列聚变反应的科学可行性条件归结为：

D－D堆　　n_eτ_E≥10¹⁵s／cm³，T≈50keV

D－D堆　　n_eτ_E≥6×10¹³s／cm，T≈10keV

科学可行性条件也常称为劳森判据。它考虑将等离子体加热至温度T，轻核的粒子数密度n_e，约束时间τ_E，反应释放的聚变能与热能发电（效率为η）以供加热，故

η（3n_eκT／τ＋P_ei＋P_ce＋P_n）＝3n_eκT／τ＋P_ei＋P_ce

所得的n_e值和上述n_eτ_E条件差不多（略高）。

3．受控热核聚变研究

上述热核聚变条件表明加热与约束等离子体是受控聚变研究的两大课题。此研究可划分为磁约束与惯性约束两类途径。磁约束热核聚变途径靠欧姆电流加热或中性束注入与各种射频波加热。其高温高压等离子体的粒子受到磁场所施的洛伦兹力的作用而绕力线回旋，从而受到约束，使之与容器壁分隔开来。惯性约束聚变途径则依靠激光束、电子束或离子束等加热氘氚靶丸，利用粒子的惯性，在未严重飞散之前能进行适度的热核燃烧。以往30多年的研究已使人们接近于走完前述实现受控热核聚变的第一步，即磁约束途径将实现科学上达到的能量得失相当，惯性约束途径也有可能在21世纪初叶达到这一目标。

（1）惯性约束聚变

惯性约束聚变可以说是受控制的微型核爆炸，自20世纪60年代初激光问世以来，人们一直设法使用激光束，中国上海光机所的“神光”激光器用于核聚变实验的六路真空靶室。70年代后又考虑用强流相对论性电子束或离子束等高功率短脉冲的射束，集射到球形氘氚靶丸上，使之加热，表面消融为高温等离子体，并且高速喷射产生强大的反冲力，使之向心爆聚，压缩到超高密度（为固体的千倍），同时使中心温度高达点火，由于聚变产生的α粒子对等离子体的自加热作用使之自持，利用粒子的惯性，在靶丸未严重飞散（以声速）之前的短暂时间（10^－10—10^－11秒）内达到足够高的热核燃烧。

惯性约束热核燃烧基本要求ρ_ir≥3克／厘米或R≥12．5／（ρ_i／_ρ固）^2／3厘米，式中ρ_i为离子密度，ρ_i／ρ_固为压缩比，r为点燃的小球半径，R为压缩前的初始半径。压缩比高则密度高，反应率便高。考虑发电、电→束、束→料的效率分别为η_e、η_d、η_c，总效率为η，能量有增益的条件为ρ_ir≥2．7×10^－4E_料／η（g／cm²），式中E_料以keV计，为点火时燃料球每个离子的平均的初始能量。考虑α粒子加热作用，只要靶中心大小α粒子射程的区域达到点火温度，便能把周围较冷的燃料燃烧。人们估计束能1—10兆焦，功率大于10¹⁴瓦，聚焦到几毫米靶上。

电能转化为射束能与束一靶耦合的效率以及束的聚焦性是关键的问题。激光束聚焦性好，与靶尚能较好耦合，特别是波长较短的KrF＊激光器与自由电子激光器，但是电→束转换效率低（自由电子激光器除外）。电子束能量大，转换效率较高，但聚焦性差，脉冲过宽。束－靶耦合不好，压缩度低。目前粒子束驱动惯性约束方面的研究工作已转向离子束。离子束与靶最好耦合，但聚焦与脉冲成型是问题。

激光聚变研究已得到了压缩比为100，温度500eV的结果，由于效率过低，η_d≤10%，η_c≤5%。至于离子束聚变的研究刚刚兴起。目前，美国劳伦斯·利弗莫尔困家实验室正在研制能基约100千焦，功率10¹⁴瓦的代号“Nova”多路钕玻璃激光器，美国桑迪亚国家实验室正在研制功率大于10¹⁴瓦的代号“PBFA－Ⅱ”轻离子束聚变装置等，都在朝着科学上实现得失相当的目标前进。

（2）磁约束聚变

受控聚变研究中更广泛的是磁约束途径。等离子体内的磁场约束荷电粒子，等离子体外真空区的磁场可以起到磁垫或磁绝缘层的作用。磁压强（B²／8π）起到抵御等离子体压强的作用，例如5万高斯的磁场的磁压强约为100大气压。通常定义等离子体压强与磁压强之比为比压β＝p／（B²／8π），β高说明所需的磁能较小，则较经济。然而更难约束。对等离子体受磁约束起破坏作用的有宏观的和微观的各种不稳定性以及粒子与能量的各种损失机制。与高密度瞬息间聚变的惯性约束相比较，磁约束则是较低密度（≈10¹⁴／cm³）较长时间燃烧的热核聚变，其脉冲式可达百秒，其稳态式则更长。磁约束聚变为了经济使用磁场不得不追求相当高的第一壁中子通量密度，招致技术上的困难，而惯性约束则不受此限制。

磁约束聚变研究曾试验过多种装置，可归纳为闭式（指磁力线）与开式两类。迄今前途比较明朗的闭式环形装置有托卡马克及仿星器，开式直线装置有磁镜。

托卡马克装置首先制成于前苏联。它利用电磁感应产生的环电流造成的“极向”磁场配合纵向磁场约束等离子体，同时欧姆电流也是加热的重要手段。1978年美国的PLT装置首次取得离子温度T_i≈7keV，电子密度n_i≈3×10¹³cm，约束时间τ_E≈25ms的结果。1982年美国TFTR装置及1983年欧洲经济共同体的JET装置相继投入了运转，1984年JET达到了T_i≈5．5keV，n_e≈3×10¹³cm^－3，τ_E≈0．65s的指标。日本的JT－60装置和前苏联的T－15等装置将陆续启动。这四大装置都是托卡马克，目标是科学可行性上的能量得失相当，其实现指日可待。然而，托卡马克形态必需的环电流原靠感应产生，由于变压器的伏秒数有限，托卡马克被迫作长脉冲运行，这在建堆发电上是不希望的。目前波驱动电流实验正在为解决此一问题进行探索。其次，托卡马克存在的危及堆的生存的破裂不稳定性尚待妥善解决。此外，托卡马克的比压β值稍低及其复杂的环形结构会造成工程上的复杂性。

仿星器装置起源于美国，它借外导体的电流产生的极向磁场配合纵向磁场约束等离子体。它不象托卡马克那样依靠感应产生环电流，因此是稳态运行，而且没有破裂不稳定性。不过，它运行的β值比托卡马克的（＜5%）还要低。20世纪50年代美国的仿星器实验具有玻姆扩散损失，然而70年代联邦德国的W－Ⅶ装置却取得了类似托卡马克的约束性质。在80年代仿星器研究得到了进一步的发展。

磁镜装置的磁场线圈绕在直管上，两端的磁场比中间的强。由于粒子磁矩守恒，当它运动到强场处，轴向速度减慢而增加垂向速度，除少数速度矢量接近平行磁轴的粒子逃逸之外，多数粒子被反射回中央区域，“磁镜”因此而得名。简单磁镜出现“槽纹交换不稳定性”，破坏约束。1961年前苏联创造了用约飞棒进行稳定化的方法，随后出现了多种“极小B”磁镜位形。1976年美国2XⅡB装置取得了进一步的成果。接着提出的串联磁镜的方案，利用中性束注入长螺管中心室外两端塞在等离子体内建立电位峰，以减少离子的轴向逃逸。磁镜是稳态的聚变装置，预期口值较高，且结构简单，这些都是它比托卡马克装置优越的地方。然而它的轴向堵漏的研究开展未久，参与建堆的竞争是未来的事情。

磁约束聚变实现科学可行性上能量得失相当之后，研究的第二步却是不能轻而易举地完成的。第一壁要经受强的中子辐照，这方面迄今尚没有足够的经验，预期是困难的任务。此外，要能供给聚变堆系统的耗电而有净的输出，势必要求有比劳森判据更高的n_e、τ_E及T值，也就是要求增益系数Q＝（P＋P_n）／P_i有约大于10的值。磁约束聚变概念堆的横截面由堆芯高温等离子体及其外的真空壁、包层及磁场线圈所构成。主衰减层起到倍增中子（混合堆）、吸收中子、增殖氚及热传输等作用。

作为聚变研究第二步的第一代装置，即从科学上实现能量得失相当后到聚变实验动力堆的过渡，美国正拟建立研究堆芯的TFCD装置，欧洲共同体则拟建立NET装置，我国电于1984年建成一座中型的托卡马克——环流1号。前苏联则打算在T－15装簧实现得失相当后改为混合堆试验。由于混合堆降低对n_e、τ_E的要求约一个量级，第一壁经受中子辐照的矛盾会得到缓和，这将是21世纪盛行的研究。

作为磁约束聚变研究的第二步，国际原子能协会筹划了INTOR（国际托卡马克堆）装置的设计，同时美国亦进行了类似的FED（聚变工程试验装置）的设计。它们的目标是在工程上达到：除自供实际的系统耗电功率P_s下略有输出（P_e≥0）。然而这些都是托卡马克型装置，在今后若干年内，磁约束新途径乃至惯性约束途径势必参与建堆候选者的竞争。未来的实用聚变堆必将出现各种型式。

无论是磁约束还是惯性约束途径，在研究过程中一方面要在各种装置上进行物理实验，另一方面又要进行大量的等离子体物理理论的研究。在受控聚变研究前进途中还存在着一系列的工程技术问题，诸如等离子体诊断技术、波加热与中性束注入加热技术、射束技术、超导技术、第一壁材料抉择、氚处理工艺、增殖包层设计、靶丸设计和远距离控制等等。这些技术问题的完满解决，会有助于聚变电站的早日实现。

围绕冷核聚变的争论

1989年3月21日下午1时，在美国犹他州盐湖城的犹他大学举行了一次新闻发布会。会上该校化学系主任斯坦利·庞斯教授和英国南安普敦大学的马丁·弗莱希曼教授宣布，他们用简单的重水电解装置，在室温下的钯电极中实现了持续的核聚变（后被称为冷聚变）。他们的实验是用99．5%的重水和0．5%的普通水，加入少量的氘氧化锂，制成电解液；用铂（Pt）作正极，用钯（Pd）作负极，在室温下进行电解。在实验过程中，测到了热效应（输出能量大于输入能量）和核产物（γ射线和中子）。

由于他们的实验装置非常简单，而且核聚变是在室温下进行的，所以一经宣布，立即引起了全世界的轰动，庞斯和弗莱希曼两位教授也就一下子出名了。这一发现似乎是打破了核聚变必须在上亿度高温下才能进行的传统观念，并使利用低成本的核聚变能有了希望。所以他们的发现被誉为“试管中的太阳”。许多人都认为，一旦这一实验被证实，他们肯定会获得诺贝尔奖。于是，一些著名的实验室和数百个实验小组加入了冷核聚变实验的行列，一场世界范围的冷核聚变研究的热潮开始了。伴随着研究的高潮，也出现了一场至今仍未见分晓的争论。

这一年3月30日，犹他州伯明翰·杨大学的物理学家斯蒂文·琼斯教授在哥伦比亚大学的一次学术活动中宣布，他独立地实现了冷聚变。只是他的实验结果与庞斯和弗莱希曼的实验结果有较大不同。琼斯的冷聚变是在钛电极中实现的，不过他在实验中所观察到的中子的量，大大小于庞斯和弗莱希曼所宣布的水平，且没有观察到热效应。所以这一情况没有引起更多的注意。

第二天，即3月31日，匈牙利的拉乔斯·科苏特大学实验物理系的两位物理学家久洛·奇考伊和泰勃·斯陶里奇考伊宣布，他们重现了庞斯和弗莱希曼的实验，观察到了热效应和中子。4月1日，日本农工大学的小山月教授也宣布他已经部分实现了庞斯和弗莱希曼的实验，观察到γ射线和氚等。

从4月10日开始，冷聚变的研究出现了高潮，几乎每天都有人宣布成功地实现了冷聚变。4月10日上午，美国得克萨斯A＆M大学的一个10人小组在新闻发布会上宣布，在他们的冷聚变实验中，输出的能量比输入的高20%—80%。

4月11日，美国乔治亚理工学院也举行了新闻发布会，宣布他们在冷聚变的实验中测到了中子，其信号比本底高13倍，另外他们还检测到了聚变的产物氚。

4月12日，前苏联莫斯科大学物理系固体物理实验室的研究小组报道他们重复了庞－斯和弗莱希曼的实验，测到了热和中子流。

4月17曰，捷克考美纽斯大学数学物理系的一个研l究小组宣布，他们用鬲灵敏度的探测仪测到了中子信号。同一天，犹他大学又举行了一次新闻发布会。庞斯在会上说，他们的冷聚变实验已被60多家单位所证实。他还说，他们最近的实验结果比以前更好，每立方厘米钯大约能产生67瓦的功率，而以前只有26瓦。4月18日，美国斯坦福大学的罗伯特·啥吉斯教授在新闻发布会上宣称，在他们的冷聚变实验中得到了比输入能量高50%的热效应。同一天，意大利国家替代能源委员会的以物理学家弗莱西斯科·斯卡拉莫为首的研究小组，宣布他们把金属钛的小片放入高压氘的容器里中，在液氮里冷却时测到了每秒数百个中子的信号。4月19日，原民主德国德累斯顿工业大学的一个研究小组用与庞斯和弗莱希曼实验相似的装置在0．09℃下，测到了每秒钟0．02个中子。4月22日，北京师范大学和中国工程物理研究院核物理与化学研究所都报道了他们在这类实验中测到了较强的中子信号……。

然而，在这场冷聚变研究的热潮中，也有许多研究小组没有能够重复出庞斯和弗莱希曼的实验结果，特别是一些世界著名的研究机构发布了一些不利于庞斯和弗莱希曼的实验结果。4月25日，美国乔治弧理工学院正式发表声明，撤回他们以前的关于测到中子的结果。他们解释：这是由于中子测试仪对温度的敏感性导致了错误的结论。5月，在美国物理学会年会上，出席会议的大多数科学家都认为庞斯和弗莱希曼的实验结论不可靠。6月15日，英国政府的主要核聚变研究中心哈韦尔实验室宣布了他们的实验结果。这一实验室的10位科学家花了约3个月的时间，耗资50万美余重复了庞斯和弗莱希曼的实验，结果既没有观察到热，也没有发现中子。而且他们的实验是在与弗莱希曼的合作下进行的。

由于冷聚变实验的结论与传统的物理学理论有很大的不同，在庞斯和弗莱希曼的实验结果宣布以后，许多科学家，特别是核物理学家对这一发现持怀疑态度。其原因在于，现有的物理学理论对热核聚变的研究取得了显著的成绩，物理学家已经弄清楚了热核反应的条件。根据核物理理论，两个原子核要彼此接近到核力相互作用范围内才能发生聚变反应。由于同性电荷之间库仑斥力的存在，两个自由核子聚合在一起之前，必须首先克服库仑势垒。库仑势垒的大小正比于两个核子所含电荷数的乘积，可以大致估算：核力程范围约为5×10^－15米，设两个核子的电荷数分别为Z₁，Z₂，则库仑势垒为Z₁·Z₂e²／4πε₀r₀＝Z₁Z₂×0．288兆电子伏。可见，如果核子的电荷数比较大时，聚变反应难以发生。所以一般来说，聚变反应多发生在轻核之间，最常见的就是同位素氘（D）和氚（T）。就氘一氘反应而言，可计算出0．288兆电子伏也相当于数十亿度的高温。虽然由于量子力学的隧道效应，可使低能粒子有一定的概率穿透高能势垒，但是发生显著聚变反应的温度仅比上述温度小一个数量级，仍需10⁸开。这就是目前物理学所给出的实现热核反应的条件，以此曾成功地解释了太阳上的核反应，也曾成功地实现了氢弹试验。从上述理论出发，对庞斯和弗莱希曼等人的实验以及解释是令一些科学家难以接受的。

于是，一场关于冷聚变的争论就是不可避免的了。争论主要围绕着这样几个问题：

1．关于冷聚变的热效应问题

在庞斯和弗莱希曼的实验中，最引人注目也最有争议的是热效应问题。在庞斯和弗莱希曼电解重水的过程中产生了大量的热，输出的热比输入的高4倍，每立方厘米钯能产生10瓦以上的功率，放热的效应持续在120小时以上。正是由于放出的热量如此之大，庞斯和弗莱希曼不得不把这种情况归之为核聚变的结果。有一些实验室宣布他们观察到了热效应，而大多数实验室则表示他们没有观察到热效应。

争论就由此而起。许多科学家指出，庞斯和弗莱希曼的实验中所观察到的热效应与观测到的中子量不相符合。如果热效应的确是由氘－氘聚变反应所引起的，那么相应的中子产率应为10¹³个／秒左右。而他们实际测到的中子量仅为10⁴个／秒，两者相差了10亿倍。指出这一差别的含义无非是想说明，庞斯和弗莱希曼所观察到的热效应并不是来自核反应。

但是，有的科学家却提出了新的理论来解释热效应和中子景的不相符合。他们认为，在钯晶格中，氘－氚聚变产物是激发态的氦－4，它的能垦被传送到铝晶格中而变成了热，只有少数激发态的氦－4分裂而形成氦－3和中子。这就是庞斯和弗莱希曼测到大量的热与少量的中子的原因。

2．关于γ射线的测量问题

聚变反应的证据除了强热效应，就是中子产物，而产生中子的证明又与y射线有关。在庞斯和弗莱希曼的实验中，在2．22兆电子伏附近测量到了γ射线的能谱峰值。他们认为，这是氘氘聚变产生的2．45兆电子伏的中子与溶液中质子的聚变反应生成的，从而证明了反应物——中子的存在。

然而，一些研究小组对此提出质疑。例如麻省理工学院研究小组指出：①庞斯和弗莱希曼所观测到的γ射线的能谱峰值宽度只是仪器分辨率的一半，这是不可能被测到的；②中子与质子反应所产生的γ射线，应该在1．99兆电子伏附近有一个康普顿边峰，可是在庞斯和弗莱希曼的谱图中没有发现；③在由γ射线的强度计算中子产率上电有错误，计算值比应有值大了50倍；④根据电视录下的γ射线谱图估计，γ射线峰应在2．25兆电子伏位置上，而不是在2．22兆电子伏上。由于以上理由，他们认为庞斯和弗莱希曼的实验中的所谓γ射线很可能是一个假信号。

3．关于中子的测量问题

在庞斯和弗莱希曼的实验中，他们是用三氟化硼中子测试仪测量冷聚变中子的，测得冷聚变中子产率为4×10⁴个／秒。但是大多数的研究小组宣称，他们所做的实验却只测到少量的中子或没有测到中子。而且还有一些小组指出庞斯和弗莱希曼所用的三氟化硼中子测试仪，并不适合于他们实验中的中子测量。因为这种仪器对热和温度十分敏感，而重水的电解实验会使电解池周围的温度和湿度发生变化。

4．关于冷聚变的理论锯释问题

由于实验E对冷聚变中的热效应和中子有不同的结果，所以就会带来理论上的不同解释。一类理论解释是支持庞斯和弗莱希曼实验结果的，认为冷聚变可以在很高的速率下进行。如上述为协调大量热与少最中子而提出的聚变产物是氦－4和热的理论。

另一类理论是支持琼斯的实验的，即认为冷聚变只能在较低的速率下进行。这是因为在冷聚变实验中观察到的少量中子是由于宇宙射线中带负电的μ介子进入钯电极而产生的，μ介子的寿命极短，所以冷聚变反应速率也极低。

还有一类理论认为，所谓“冷聚变”的现象是由于某种化学反应所产生的热引起的。他们认为吸收了大量氘的钯品体可能变得不稳定而发生变化，从而放出大量的热。

关于冷聚变的最大争议则是：它是否是“伪科学”或“病态科学”。国内有人认为冷聚变是病态科学的典型，国外有的科学刊物提出要给庞斯和弗莱希曼颁发“可耻诺贝尔奖”。所谓病态科学，它的主要特征是：实验效应很弱，没有显著的因果关系；常是低统计的事例；惊人的高精密度；背离原有理论；发现者沉醉于所得结论，否认任何批评；等等。有人总结出冷聚变具有上述特征：实验重复性差；超额热与核产物不匹配；中子数据在检测极限与现有的核理论相违背；许多论文发表前未经评审等等。当然，另一方依然认为冷聚变是可信的，它打破了传统观念，就如同科技史上许多在开始时不被人们承认的发现和发明一样。1993年10月，在日本的名古屋召开了第三届国际冷聚变会议，与会者一致认为：冷聚变不是是否存在而是如何存在的问题。

关于冷聚变的争论，涉及的问题比较多。由于核聚变研究是探索新能源，它的成功与否对人类社会的影响非常之大。所以冷聚变就更为世人所瞩目。无论是肯定它还是否定它都应该比较慎重。现在还一下子分辨不清，就让科学发展本身去评判。