核裂变与核聚变

核裂变

当一个慢中子撞击铀-235的原子核时，该核可能分裂成两个中等质量的碎片——同时释放出 两到三个新的中子，并伴随巨大的能量。由于²³⁵U位于结合能曲线上铁峰值之外，分裂后生成 的碎片比原来的核结合得更紧密——其中的差值便以能量的形式释放出来。

由于每次裂变都会产生多个新中子，而这些中子又可以引发更多核的裂变，因此可能形成一个 自我维持的链式反应——在核反应堆中受控进行，在核武器中则不受控制。 为了使反应不至于中断，必须存在一定最小量的可裂变材料：即临界质量。

核聚变

在结合能曲线的另一端是聚变：当两个轻核，例如氘（²H）和氚（³H），聚合成氦时，生成的 原子核比两个原始核加在一起结合得更紧密——差值同样以能量的形式释放，而且按每个核子 计算，释放的能量甚至明显高于裂变。

问题在于：两个核都带正电，会因静电作用相互排斥。只有在几千万摄氏度以上的温度下—— 就像太阳内部或聚变反应堆中那样——原子核才能运动得足够快，使其中一部分能够克服库仑 势垒（还需借助量子力学隧穿效应的一点"帮助"）。如何驾驭这一难题，正是受控核聚变 至今在地球上仍无法实现商业化利用的原因。

E = mc² 对比

无论是裂变还是聚变，释放的都只是极其微小的质量亏损——但其能量规模远超任何化学反应： 一公斤铀-235完全裂变所释放的能量，大约相当于两到三百万公斤煤炭燃烧释放的能量。

核电站与聚变反应堆

在超过一亿摄氏度的温度下，已经不存在任何固态或液态的燃料，只剩下等离子体 ——一种由自由的、带电的原子核和电子组成的气体。没有任何已知材料能够构成一个容器壁， 在与之接触的情况下承受这样的温度；任何直接接触都会瞬间使等离子体冷却，并使容器壁 气化。解决方案正是利用了等离子体本身带电这一特性：带电粒子几乎可以沿磁力线自由 运动，但极难横越磁力线——洛伦兹力迫使它们沿着磁力线做紧密的螺旋运动。如果把磁力线 弯曲成自身闭合的环，例如环面（甜甜圈形状），等离子体就能沿这些轨道循环运动，而 永远不会碰到容器壁——形成一个看不见的"磁瓶"。这需要巨大的、通常是超导的磁线圈， 环绕真空容器排列，产生数特斯拉的磁场强度——是地球磁场的十万到百万倍。

在技术上，实现这种磁约束主要形成了两种不同的构型：在托卡马克 （俄语意为"带磁线圈的环形腔室"）中，环形排列的线圈与等离子体自身感应产生的电流共同 产生所需的磁场；这种结构相对对称、简单，但需要一种只能脉冲式维持的等离子体电流。 位于法国南部的国际研究反应堆ITER——目前世界上最大的聚变实验反应堆——正是遵循这一 原理。

仿星器则相反，它放弃了感应等离子体电流，仅通过复杂成形、三维弯曲的 线圈来产生所需的扭曲磁场——在建造和计算上技术难度明显更高，但原则上适合长时间连续 运行。德国马克斯·普朗克研究所在格赖夫斯瓦尔德运行的文德尔施泰因7-X（Wendelstein 7-X） 是世界上最大的仿星器。

托卡马克俯视图：等离子体在环形容器中循环，由磁线圈约束；带电粒子几乎无法离开磁力线，只能沿其做螺旋运动。

惯性约束聚变走的是一条完全不同的路：这里不使用磁场，而是像美国国家 点火装置（National Ignition Facility，NIF）那样，用极强的激光在几纳秒内将能量集中 射向一颗微小的燃料球，从各个方向瞬间将其压缩并加热，使聚变在材料重新飞散之前就已 点燃——NIF由此在2022年首次实现了聚变反应本身的净能量增益。除此之外，越来越多由 私人资本支持的公司，例如Commonwealth Fusion Systems（采用高温超导体的紧凑型强磁场 托卡马克）或Helion Energy（脉冲式磁化惯性约束聚变），也在探索各自的、有时是混合式 的技术路线，目标是比国家资助的研究更快实现商业化聚变电站。