【民生证券】电力设备及新能源行业深度研究：核聚变系列（04）-太阳能量的地球复刻，产业化进程有望加速-250929（43页）.pdf

1、1核聚变：人类能源问题的终极解决方案1.1可控核聚变：太阳能量的地球复刻1.1.1核聚变定义可控核聚变或将成为人类能源问题的终极解决方案。可控核聚变是指在受控环境下，通过科学技术手段模拟太阳的核聚变原理产生能量，其核心在于使氢的同位素氘和氚结合释放能量，因此成为大众口中的“人造太阳”，也是许多科学家眼里的“终极能源”。可控核聚变旨在在地球上创造稳定、可预测且安全的核聚变过程，作为能源的一种途径。核聚变是两个轻原子核结合形成一个较重原子核，同时释放大量能量的过程。聚变反应发生在一种称为等离子体的物质状态中，等离子体是一种由正离子和自由移动电子组成的热带电气体，具有不同于固体、液体或气体的独特性质

2、。太阳和所有其他恒星都是由这种反应提供动力的。为了在太阳中融合，原子核需要在极高的温度(大约一千万摄氏度)下相互碰撞。高温为它们提供了足够的能量来克服它们之间的电斥力。一旦原子核彼此距离非常近，它们之间的吸引力核力将超过电排斥力并使它们发生聚变。为此，原子核必须被限制在一个小空间内，以增加碰撞的机会。在太阳中，巨大的引力产生的极端压力为聚变创造了条件。(divcenter)图1：核聚变反应示意图(/divcenter)1.1.2核聚变原理根据比结合能曲线图，原子核的比结合能（单位核子的结合能）随原子核质量数的变化呈抛物线形。轻核偏低、重核偏低，随着比结合能越来越高核越来越稳定，因此有两个方向的

3、核反应可以释放能量：1、轻核通过聚变成中等质量核；2、重核通过裂变成中等质量核。在极端的温度和压力条件下，轻原子核通过相互碰撞与融合，释放出巨大的能量，驱动着核聚变反应的发生。质量小的原子，在一定条件下(如超高温和高压)，能让核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。在人工实现的可控核聚变研究中，常见的聚变反应有：（1）DT(氘-氚聚变)：氘-氚反应是当前可控核聚变研究中最有希望实

4、现的反应，因为它在相对较低的温度下就能发生，且释放的能量相对于其他反应来说非常高。但这种反应产生的中子具有很高的能量，处理这些中子的辐射和材料问题是目前研究的难点之一；（2）DD(氘-氘聚变)：氘-氘反应是最基本的聚变反应之一，产生氦-3和一个中子，或者产生一个氚原子和质子。这种反应相对容易实现，但由于同位素氘的获取相对简单，它是可控核聚变研究中的一个重要反应；（3）pB11(质子-硼11聚变)：这一过程不直接释放中子，因此相比其他聚变反应，比如常见的氘-氚（D-T）聚变，它被认为是一种更为“清洁”的核聚变反应，因为它产生的放射性废物更少。pB11聚变反应对温度和压力的要求极高，远高于氘-氚聚

5、变反应需要的条件；（4）DHe3(氘-氦3聚变)：d氘-氦3反应也是一种受到关注的聚变反应，因为它相较于D-T反应产生较少的中子，是一种更为“清洁”的核聚变反应。但氦-3的获取相对困难，这是实现该反应的主要挑战之一；（5）He3He3(氦3-氦3聚变)：氦3-氦3聚变反应完全不产生中子，被认为是一种极其干净的核能源。然而，与D-He3反应类似，氦-3的稀缺和高昂成本是限制这种反应发展的主要因素。氘氚聚变是当前最主要的核聚变反应形式。根据FusionIndustryAssociation统计，目前核聚变反应中原料来源中，氘氚聚变反应占比为65%，是当前最主要的核聚变反应形式。氘氚聚变反应是当一个

6、氘核与一个氚核聚在一起，在高温等条件下发生反应，形成一个新的原子核-氦，同时释放出1个中子，反应过程中减少的质量变成了大约17.6MeV的能量。氘氚反应速率高且反应横截面较大，同时原材料氘容易获取。1.1.3核聚变实现的条件实现核聚变反应，需要同时满足三个条件：足够高的温度（T）、一定的密度（n）和一定的能量约束时间(tau_mathsfE)），三者的乘积称为聚变三乘积。根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值（5times1021mathsfm-3skeV），才能产生有效的聚变功率输出。（1）高温：实现核聚变反应需要将氘氚原子核压缩到很小尺度的核力范围内，但由于原子核带正电，必须在极高温下才能