核聚变点火与约束

从核物理的基本知识已知，轻核特别是核素表最前面几个核的比结合很低，氘核的比结合能仅为1.112 MeW，而4 He的比结合能是7.075 Me V。因此，当4个轻核或2个氘核聚变为1个氦核时，将释放出巨大的能量，分别为每个核子7 Me V和6 Me V。

轻核的聚变放出的重核比重核裂变有更大的比结合能。世界石化能源的储量有限（约40×1021 J），而裂变能（约为575×1021 J）的储量比石化能储量多10～15倍，海水的聚变几乎能取之不竭（约5×1031 J）。显然，核聚变能是人类可持续发展的最终解决方案之一。矿物燃料的燃烧污染空气并排放出二氧化碳；核裂变会产生高放射水平的放射性废物；收集微弱的太阳能需要大量水泥、钢铁、玻璃和其他材料，其生产也有大量的污染物排放。地球上容易实行的核聚变是D-T和D-D核聚变：

式中，D、T分别为氢的同位素氘和氚；n、p分别为质子和中子。

其核聚变反应截面的入射核能量Ed间的经验关系式可分别表示为：

D是天然存在的，可从海水中提取。天然材料6 Li和7 Li在地球上的储量很大，已探明质量好的Li矿可供人类使用上百年，总存量可供人类数百万年的消耗。D-T核聚变仅是核聚变能利用的开始，一旦D-D核聚变取得成功，人类将彻底解决可持续发展的能源供应问题。处于等离子态的物质称为第4态物质，把等离子约束在一定区域，维持一段时间，使轻核产生聚变反应，称为热核反应，为达到热核聚变，对产生的轻核等离子的温度、密度和约束时间将有一定要求，称为劳森（Lawson）判据：

其中，假定等离子体中具有相同密度n和温度T；k是玻尔兹曼常量；系统的输出能量来源于热核聚变，聚变功率为PR；等离子约束时间为τ。通常把满足劳森判据等号的条件称为点火条件。

轻核聚变没有链式反应堆那样的对燃料的装载有临界质量的要求，原则上只要能产生让两个参与聚变反应的核接近到克服核外电子库仑散射条件，任何质量的参与聚变反应的两个核就可以发生聚变反应。因此，很早就有科学家建议用小型氢弹爆炸进行开山凿河等和平利用，例如“氢弹之父”特勒就建议“和平核爆”的方法，在封闭性很好的岩盐内凿洞进行小当量冲击波很小的氢弹爆炸，然后通过在洞壁布置能量吸收包壳的方式吸收爆炸能量，并通过常规热机循环装置转换为电能。这种方式在技术上没有多大的难度，但从防止核技术扩散的角度和有核国家承担的国际禁爆义务看，实践上这种方法是不可行的。