可控核融合

可控核融合，即核融合能源，指在人工控制之下利用核融合產生能量。核融合反應是一種結合兩個較輕核子產生較重核子的能量反應。合併時，部分質量喪失轉換為能量（質能等價）。^[1]融合能研究主要關注於駕馭這個反應並作為大規模可持續能源的來源。

托卡馬克，現有的可控核融合反應爐方案之一

幾乎所有針對大規模商業應用（commercial proposals）提出的方案，熱量都由受控核融合產生的中子散射（英語：neutron scattering）提供，與現今核電廠、火力發電廠提供給蒸汽渦輪發動機發電原理相同。

核融合過程需要燃料以及足夠的溫度、壓力和維持時間，才能形成可以進行核融合的電漿體。這些條件結合起來可以構成一個產生能量的系統，即所謂的勞森標準（Lawson criterion）。勞森標準即核融合能量實現的一個標準，說明了為了使核融合反應能夠持續進行並產生能量，需要達到一定的溫度、密度和持續時間的組合。在恆星中，氫是最常見的燃料，重力提供了非常長的約束時間，滿足了產生融合能的需求。目前設計中的核融合反應爐通常使用重氫同位素，如氘和氚（尤其是這兩者的混合物），它們相較於普通的氫同位素更易發生反應，因此能在較溫和的條件下滿足勞森標準。大多數設計目標是將燃料加熱至大約1億開爾文，也因此對可靠的設計提出了巨大挑戰。氚在地球上極為稀有，且半衰期僅為約12.3年。因此，在設想中的融合反應爐（即增殖反應爐）運行過程中，會利用中子通量作用於氦冷卻卵石床（HCPB），以產生氚，完成燃料循環^[2]。

作為動力源，核融合相比核分裂有諸多潛在優勢，包括較少的運行過程中的放射性、幾乎不產生高放射性核廢料、充足的燃料供應（如氚孕育或某種非中子燃料形式），以及更高的安全性。然而，同時達到必須的溫度、壓力和維持時間的條件已被證實存在實踐和經濟上的挑戰。第二個問題是管理反應過程中釋放的中子：長時間的中子照射會導致反應器內部的許多材料削弱退化。

研究人員已經探索了各種融合約束方案。早期重點研究了三種主要系統：z-夾（z-pinch）、仿星器和磁鏡。目前主要的設計包括托卡馬克和雷射慣性約束（ICF）。這兩種設計均在進行大規模研究，其中最著名的有法國的熱核實驗反應爐托卡馬克和美國的國家點火裝置（NIF）雷射器。研究人員還在探索其他可能的低成本設計方案。他們也對磁化目標聚合和慣性靜電約束以及恆星器的新變體越來越感興趣。

2022年12月5日，美國勞倫斯利佛摩國家實驗室（LLNL）首次實現能量淨收益的可控核融合。該實驗通過192道雷射聚焦目標提供 2.05 兆焦耳的能量，從而超過融合閾值，產生 3.15 兆焦耳的融合能量輸出。^[3]

背景

機制

當兩個或多個原子核靠得足夠近且持續足夠長的時間，核力超過靜電力，便會引發融合反應，生成更重的原子核。對於重於鐵-56的原子核，該反應是吸熱的，需要外部能量輸入^[4]；而對於鐵-56以下的原子核，該反應是放熱的，融合過程中釋放能量。氫原子核只含一個質子，因此在所有燃料中，它融合所需的能量最低，同時也能產生最多的淨能量。此外，氫因只有一個電子，故最易被完全電離。

原子核間的斥力（靜電作用）作用範圍大於強作用力，後者的有效範圍約為一飛秒（約等於一個質子或中子的直徑）。為了啟動核融合，燃料原子必須獲得足夠的動能來相互靠近，使得強作用力能夠克服靜電排斥。這也是指庫侖勢壘，指燃料原子靠近所需的動能數量。為了達到這種能量，可以通過加熱原子到極高溫度或在粒子加速器中加速原子。

當原子被加熱到超過其電離能時，它會釋放電子，釋放的結果就是裸核，我們稱之為離子。這個過程形成的電漿體是一個由離子和曾與它們結合的自由電子組成的熱雲。因為電荷被分離，電漿體具有電導性和可以被磁場控制的特性。這種特性被一些核融合裝置用來約束高溫粒子。

電漿體行為

電漿體是一種能導電的電離氣體^[5]。大多數情況下，電漿體是用磁流體力學建模的，磁流體力學是控制流體的納維-斯托克斯方程與控制磁場和電場行為的麥克斯韋方程的結合^[6]。核融合利用了電漿體的若干特性，包括：

1. 自組織電漿體能傳導電場和磁場。電漿體的運動會產生磁場，而磁場又能反過來容納電漿體^[7]。
2. 抗磁離子體能產生自己的內部磁場。這可以排斥外部施加的磁場，使其抗磁^[8]。
3. 當電漿體從低密度磁場移動到高密度磁場時，磁鏡可以反射電漿體^[9]。

參閱

• 核融合

參考資料

1. "ICF Physics" 2004, Atzeni, Chapter 1, page 1
2. Gan, Yixiang; Hernandez, Francisco; Hanaor, Dorian; Annabattula, Ratna; Kamlah, Marc; Pereslavtsev, Pavel. Thermal Discrete Element Analysis of EU Solid Breeder Blanket Subjected to Neutron Irradiation. Fusion Science and Technology. 2014-08, 66 (1). ISSN 1536-1055. doi:10.13182/FST13-727 （英語）.
3. DOE National Laboratory Makes History by Achieving Fusion Ignition. Energy.gov. [2022-12-13]. （原始內容存檔於2022-12-14） （英語）.
4. Nuclear Binding Energy. hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. [2024-04-22]. （原始內容存檔於2019-09-27）.
5. Fitzpatrick, Richard. Plasma physics: an introduction. Plasma physics: an introduction. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group. 2015. ISBN 978-1-4665-9426-5.
6. ALFVÉN, H. Existence of Electromagnetic-Hydrodynamic Waves. Nature. 1942-10-01, 150 (3805): 405–406. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/150405d0.
7. Tuszewski, M. Field reversed configurations. 1988-11-01 [2024-04-22]. doi:10.1088/0029-5515/28/11/008. （原始內容存檔於2024-04-22）.
8. Sijoy, C.D.; Chaturvedi, Shashank. An Eulerian MHD model for the analysis of magnetic flux compression by expanding diamagnetic fusion plasma sphere. Fusion Engineering and Design. 2012-02, 87 (2). ISSN 0920-3796. doi:10.1016/j.fusengdes.2011.10.012.
9. L.R. Proceedings of the second United Nations international conference on the peaceful uses of atomic energy, held in Geneva 1 September–13 September 1958.. Nuclear Physics. 1959-12, 14 (1). ISSN 0029-5582. doi:10.1016/0029-5582(59)90092-6.

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