国防军工行业深度报告：可控核聚变系列深度①，科普，从氘氚反应到托卡马克.docx

内容目录

TOC\o1-2\h\z\u核聚变原理：两个轻原子核结合成一个重原子核并释放能量 4

能量从何而来 5

如何使相斥的原子核聚合 5

如何使原子核进入到强核力的作用范围 6

聚变三重积与劳森判据 6

为什么核聚变一般选择氘氚反应 7

等离子体自持燃烧 7

可控核聚变原理：只有力场才能约束上亿度的热核聚变燃料 8

引力约束：地球上无法实现 8

惯性约束：选择高温高压，放弃长约束时间 9

磁约束：选择高温和长约束时间，放弃高压 9

托卡马克：约束等离子体的磁笼 10

磁场如何约束等离子体 10

托卡马克是典型的磁约束装置，其本质是约束等离子体的磁笼 11

人类托卡马克研究的经验结果：定标率 12

风险提示 14

图表目录

图1：核聚变原理 4

图2：聚变反应产生质量损失，进而释放能量 5

图3：电磁力 6

图4：强核力 6

图5：三种典型聚变反应的三重积，其中氘氚反应最容易实现（图中蓝线最低点） 7

图6：可控核聚变主要的技术实现方式 8

图7：引力收缩（蓝色箭头）与聚变膨胀（红色箭头）之间实现平衡，保持恒星聚变燃烧 9

图8：激光惯性约束图解，蓝色箭头代表激光；橘色代表固态球状核燃料向外爆裂的力量 9

图9：磁场约束带电粒子运动示意图 10

图10：现代托卡马克物理模型 11

图11：历史实验数据拟合的托卡马克定标率（图中黑线） 13

表1：四大宇宙基本力 5

可控核聚变，作为人类长期的战略级目标，一旦实现将是真正能够推动社会进步变革的重大突破。

具有成为无限能源的潜力，地球上的核聚变燃料足以支持人类使用几十亿年：核聚变反应的燃料主要来自海水中的氘和氚，这些资源储量丰富，几乎取之不尽。核聚变能源的广泛应用将从根本上解决全球能源短缺问题。

带动一系列前沿科技的发展，引发经济与产业变革：核聚变技术的研发和应用将带动一系列前沿科技的发展，包括超导材料、高温超导磁体、精密工程、能源设备制造等。这些产业的发展将推动材料科学、人工智能等领域的技术进步，引发经济与产业变革。

高密度能量助力人类成为跨星际物种：核聚变反应的能量密度远超化石燃料，为深

空探索提供了稳定而持久的能源支持。这一特性使得航天器能够搭载更先进的生命维持系统、科学仪器和推进装置，从而进行更远距离、更长时间的星际旅行。

长久以来，可控核聚变被视为解决人类能源危机的终极方案，却因技术壁垒高筑而遥不可及。近年来随着技术不断突破，可控核聚变研发进展显著加速，商业化曙光初现。然而，可控核聚变技术复杂度高，对于投资而言，清晰理解其原理和发展路径至关重要。本文作为可控核聚变系列深度的首篇，将尝试阐述经典可控核聚变技术路线原理。

核聚变原理：两个轻原子核结合成一个重原子核并释放能量

核聚变是两个或多个较轻的原子核聚合成一个或多个较重的原子核和其它粒子的反应。

图1：核聚变原理

数据来源：国际原子能机构，

能量从何而来

在核聚变过程中，反应前后的质量会发生微小的亏损，这部分亏损的质量会转化为能量释放出来。以经典的氘氚反应为例，氢的同位素氘和氚结合成氦核，同时释放出一个中子和大量的能量。反应前的氘核和氚核质量之和为8.355×10?27千克，反应后的氦核和中子质量之和为8.324×10?27千克，反应前后出现了0.031×10?27千克质量亏损。根据质能方程式??=????2，这部分质量差转化为了17.6MeV能量。

图2：聚变反应产生质量损失，进而释放能量

氘原子核 氚原子核 氦原子核 中子

+ = +

千克 千克 千克 千克千克

根据质能方程

一次氘氚核聚变反应可以释放的能量约为17.6MeV

其中，中子带走的能量约为14MeV，氦核带走的能量约为3.5MeV

损失 千克质量

数据来源： 绘制

如何使相斥的原子核聚合

原子核带有正电荷，因此当两个原子核相互靠近时，它们之间会受到电磁力的作用同性相斥。为了使原子核能够结合在一起，必须克服电磁力的排斥作用，这就需要强核力的介入。

强核力作用范围仅限于原子核的尺度之内，尽管其作用范围非常有限，但强核力强度非常大，大约是电磁力强度的100倍。强大的强核力能够克服电磁力，在原子核内部将质子和中子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核结构。

表1：四大宇宙基本力

基本力 相对强度 作用范围 作用对象万有引力 10?39 无限（随距离减弱） 有质量的物体电磁力 10?2 无限（随距离减弱） 带电粒子

强相互作用力 1 10?15米 夸克、胶子（原子核内）

弱相互作用力 10?13 10?18米 夸克、轻子（亚原子粒子）

数据来源：HyperPhysics，

图3：电磁力 图4：