關(guān)于科普，零敲碎打地看一些科普文章或視頻，被帶節(jié)奏，搞得暈暈乎乎，不如自己原原本本從教材中汲取營養(yǎng)。

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關(guān)于核聚變這個(gè)話題，從今天開始，我以四本教材為基礎(chǔ)，分章節(jié)系統(tǒng)介紹核聚變基礎(chǔ)物理知識(shí)及聚變工程，在此過程中，我會(huì)將這一問題的探討深度和難度放在定性與定量之間，只涉及少量非涉及不可的公式。

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這樣做的目的是想讓你能夠在核聚變這個(gè)問題上有一個(gè)更加進(jìn)階和系統(tǒng)全面自主的認(rèn)識(shí)，但又能盡量避免限入專業(yè)艱深的數(shù)學(xué)模型和分析中。

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《聚變能及其應(yīng)用》一書是給在等離子體所的年輕科研人員和博士生授課教材的基礎(chǔ)上撰寫而成的。主要反映20年聚變裂變混合堆的進(jìn)展及 ITER 設(shè)計(jì)的進(jìn)展。

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《磁約束等離子體實(shí)驗(yàn)物理》、《磁約束聚變?cè)砼c實(shí)踐》主要介紹磁約束聚變的原理、等離子體位形和實(shí)驗(yàn)裝置。相關(guān)作者從事核聚變研究幾十年，書中內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)詳細(xì)，定性部分講得比較過癮。

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《等離子體物理與聚變能》曝光度比較高，作者杰弗里·弗萊德伯格（名譽(yù)）教授（Jeffrey P. Freidberg）曾任麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程系系主任，該書基于麻省理工學(xué)院關(guān)于等離子體物理學(xué)和聚變能量的研究生課程的一系列課程筆記撰寫。（說實(shí)話，就這本書而言，老外書中的語句其實(shí)沒有咱中國人嚴(yán)謹(jǐn)）

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總之，這四本書是介紹高溫等離子體、核聚變及其裝置方面的權(quán)威書籍，作者都是長(zhǎng)期從事此方面工作的理論和實(shí)驗(yàn)專家，咱們就學(xué)起來吧，立個(gè)flag，開好頭收好尾，希望我的更新不要太監(jiān)了。

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?先開個(gè)頭：人類為什么要發(fā)展受控核聚變？

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1、現(xiàn)有的能源方式撐不了多少年

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人無遠(yuǎn)慮、必有近憂。對(duì)整個(gè)人類來說，對(duì)能源的利用方式與文明的發(fā)展息息相關(guān)，考慮百年、千年甚至萬年、百萬年以后人類的能源問題，就如同你個(gè)人考慮下個(gè)10年、20年自己干點(diǎn)啥一樣現(xiàn)實(shí)和必要。

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看看上面這張表，石油、天然氣、煤等化學(xué)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(zhǎng)點(diǎn)，但通過燒煤獲取能源面臨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(yīng)堆、核聚變將是必須要研究和推進(jìn)的能源獲取方式。

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

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下一代核裂變反應(yīng)堆（增殖堆）可以撐3萬年，這個(gè)還可以，甚至發(fā)展它，當(dāng)下比發(fā)展核聚變更有現(xiàn)實(shí)意義和收益，具體的細(xì)節(jié)留坑到后面講。

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

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2、核反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)

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通過上圖，不同種類燃料的能量當(dāng)量進(jìn)行比較，就可以看出人類為什么對(duì)聚變能感興趣了。

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化學(xué)能的獲取，或者說化學(xué)反應(yīng)過程中，每種元素的原子量（質(zhì)子加中子的總數(shù)）是不變的，產(chǎn)生變化的是化學(xué)鍵，也就是原子中的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了重新排布，所以化學(xué)能本質(zhì)上是電磁能，其能量都在eV（1電子伏特）級(jí)。

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比如，上面是汽油中主要成份完全燃燒時(shí)的反應(yīng)式，碳、氫、氧的原子量和原子個(gè)數(shù)都沒有發(fā)生變化。

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注意，化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量守恒是一種近似，實(shí)際上，過程前后也是有質(zhì)量變化或質(zhì)量虧損的，其轉(zhuǎn)換關(guān)系同樣遵循質(zhì)能方程（E=MC平方），只不過非常微小，所以通常忽略不計(jì)。

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而核反應(yīng)（包括裂變、聚變、衰變）是原子內(nèi)部質(zhì)子與中子重新組合變化的過程（伴隨著重組和質(zhì)子、中子的相互轉(zhuǎn)變），其反應(yīng)釋放的能量都在MeV（兆電子伏特）級(jí)別，能量來源于核子質(zhì)量的虧損，產(chǎn)生的新核的總質(zhì)量要小于反應(yīng)前舊核的總質(zhì)量。

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同時(shí)，反應(yīng)中巨大的能量釋放往往讓電子發(fā)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）。

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3、聚變能是人類的未來

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更進(jìn)一步，聚變能是原子核內(nèi)部強(qiáng)核力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的能量，來源于輕核合并為重核時(shí)的質(zhì)量虧損，原因是合并后一部分強(qiáng)核力媒介粒子（介子）被新合成核拋棄，這如同兩個(gè)公司合并，一部分員工被炒魷魚一樣，一部分強(qiáng)核力媒介粒子被拋棄了。

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氘氚聚變是目前一階段人類受控核聚變發(fā)電工程的主要燃料方案（后面會(huì)講為什么），所用到的燃料在地球上幾乎取之不盡。

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1、首先是氫的同位素氘?，它儲(chǔ)于水中 。一升海水中的氘通過聚變反應(yīng)可釋放出相當(dāng)于燃燒 ３００L 汽油的能量 。地球上儲(chǔ)存有十分豐富的聚變能資源 。氘在天然氫中占１／６７００ ，可計(jì)算出 ，每立方米水中含氘量為 ３３g 。地球上的海水中所含的氘 ，如果用于氘氘聚變反應(yīng)堆?，可供人類使用上億年 ，但是這種反應(yīng)堆離實(shí)現(xiàn)還太遙遠(yuǎn) ，比較現(xiàn)實(shí)的還是氘氚聚變反應(yīng)堆。

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2、氚在地球上含量極少，衰變時(shí)間短（約為12.5年），主要以人工制造為主。

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

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鋰在地球上有比較豐富的儲(chǔ)量 ，鋰在地殼中的含量為0.002％，主要以鋰輝石、鋰云母、鋰蒙脫石、透鋰長(zhǎng)石等礦物形式存在，某些鹽湖也是重要的鋰來源，據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（ＵＳＧＳ）截至2019年底的統(tǒng)計(jì)，全球已探明鋰礦儲(chǔ)量1400萬-1700萬噸左右（鋰礦資源量8000萬噸）。

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我國可采鋰的儲(chǔ)量超過數(shù)百萬噸（2020年探明鋰礦儲(chǔ)量為450萬噸） 。以每個(gè)鋰核轉(zhuǎn)換一個(gè)氚核為條件 ，每 １００ 噸鋰用于氘氚聚變電站可產(chǎn)生 ２ ．８ 萬億度電能 ，２０５０ 年我們預(yù)期發(fā)電量為 ９７２０ 億度電 ，相當(dāng)于 ３０ 余噸鋰 。粗略估計(jì)足夠用上幾千年 。而海水中蘊(yùn)藏的鋰比陸地上至少多一個(gè)量級(jí)（約為2300億噸），如此類推 ，應(yīng)該說鋰資源也不是問題 。（2008年該書的說法，并沒有考慮到如今鋰電池汽車及鋰儲(chǔ)能對(duì)鋰資源的急劇消耗，具體請(qǐng)看下我前面一篇關(guān)于鋰的文章。）


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