打算开个坑表达一下我对聚变的粗浅认知。
（本人非相关从业人员，如有和真实物理雷同纯属巧合）
（推荐阅读：等离子体物理与聚变能，科学书库有免费在线版）
：|
一个系统能自我运转的条件是：产生的能量要大于等于损耗的能量。对于聚变反应来说，引起非常简单，但想要维持就困难了许多。这也是目前所有聚变发电项目的难题。
以最常见的D-T聚变为例，首先，我们知道聚变的方程式：（核反应前后质量数守恒，质量不守恒）
（实际上，反应产生的能量一般是22.4MeV——中子还会和锂6反应再产生4.8MeV的能量。）
所以这是啥意思呢？
字面意思，在D-T发生聚变反应后，两个参与反应的粒子失去了一部分质量，化为17.6MeV的能量。
这其中，中子获得的动能占大头，大约是14MeV。剩下的能量都给了氦原子核，也就是α粒子。在获得了这个式子后，我们很自然地联想到：单位体积内反应的频率乘以反应释放的能量就是单位体积的反应能量密度。
也就是这个式子：Σe=R×ΔE
为了让这个式子转化为更通用的形式，我们需要引入一个概念：反应截面。
一，反应截面
反应截面通常用σ来表示。想象两个粒子，每个周围都有（通常来说）强核力和电磁力组成的力场包围。
这个区域就是反应截面，它意味着一旦粒子进入到反应截面之中，就落入了强核力或是电磁力的作用范围。对于电磁力，我们称它的反应界面为库伦散射截面。（当然这个名字很难听）
设强核力的强度为1，作用范围为10^-15m。电磁力的作用强度为1/137，作用范围非常大（如果有人知道精细结构常数和这玩意的关系请务必告诉我）
对于聚变截面，不难想象两个粒子，设其半径之和为d，那么两者之间的聚变截面就是πd^2。氘和氚的半径几乎相同，可以近似为是一样的。它们的聚变截面是0.8*10^-28m。由于聚变截面实在是太小了，科学家们定义了一个新单位：靶恩，缩写为b。1b大约就是氘和氚的聚变截面，也就是10^-28m。
作为对比，裂变反应中铀235的反应截面是500b。
不难发觉，要进行聚变反应，粒子的碰撞动能需要超过两者之间的电斥力（Physic Stack Exchange上面有人吵这个吵了好久），也就是说要满足下面这个关系式（别奇怪，r被约掉了）
这一式子被称为库伦势垒。经过计算后可得，对于D-T聚变而言，粒子之间必须有超过288Kev的初始动能，不然聚变不会发生。这是相对论下的聚变反应要求。
当然，考虑到量子效应之后，我们发觉即使在较低动能下聚变反应也能发生，就是概率没那么大罢了。（计算过程有双面A4纸那么多，就先不放上来了）
量子效应下的曲线是这个样子
说回最开始的式子：Σe=R×ΔE，我们现在可以稍微修改一下它的形式，让其变得更加通用(单位是W/m^3)：
其中，(σv)的单位是m^3/s，这是个很奇怪的数值。它表示对σ，也就是聚变截面和v，也就是微观粒子运动速度的乘积进行麦克斯韦分布函数……之类的加权平均。v在宏观下是温度的一种体现——粒子的平均动能，温度越大
对于(σv)，我们没必要知道这是个什么东西，只需要知道它随着温度的增大而增大，且在100KeV的粒子平均动能（10*10^9开尔文，不过和摄氏度也没什么区别了）之前波动很大。
现在，我们可以计算任何一个核反应的能量密度……
……吗？
二，损耗
核反应的温度很高。温度高，说明有很多等离子。在这种物质的体系里，离子和电子都分成一堆堆谁也分不清的玩意，而带负电的电子在磁场的吸引下回做出很多的诡异动作，并将损耗的能量以光子的形式放出去。加减速引起的损耗叫刹车辐射（轫致辐射，就是那个英语单词长的特别奇怪的），而转弯引起的损耗叫回旋辐射。
通常来说，我们用贝蒂-海特勒公式计算轫致辐射。它由德国科学家海特勒从麦克斯韦电磁方程组，相对论和麦克斯韦分布函数出发而发现。由于我不会，所以就跳过。
这里已经把相关的物理量带入了，得到一个简化的式子：
Z代表等离子体的总核电荷数或原子序数。ne代表气体中的电子数密度（对于氘与氚，它就代表两种原子核在一起总的数密度，反正它们都只有一个电子）。Te代表电子的温度（用KeV表示，其实就是电子动能）
下面是对于均质氘-氚反应堆，等离子体轫致辐射损耗的能量（网上找的）：
哎呀米诺！
总的来说，韧致辐射功率密度主要和等离子体密度和粒子平均动能（温度）成正比。这也是个很好理解的事——它本身就是由等离子体中粒子乱窜所引发的。
回旋辐射，它来自于非相对论电子的拐弯而非相对论速度电子的刹车，因此它的功率小到忽略不计，而且也非常难算（差不多有两三篇论文那么多），在此不多阐述。
感兴趣的可以去看《天体物理中的辐射机制》第5章：带电粒子在外磁场中的运动：回旋-同步-曲率辐射
三，判据
常见的的判据有俩：劳森判据，点火判据。它们都很好理解，而且也很简单。
劳森判据是英国工程师劳森（和罗森便利店一个英文名）提出的，判据内容很简单也很明了：效率参数×（（聚变产生的总功率-中微子之类的无法利用功率）+韧致辐射功率+热传导功率）大于聚变堆内的的韧致辐射功率损失+热传导功率损失。
他提出了劳森参数nte，也就是数密度n以及能量约束时间te的乘积
点火判据就更简单了：阿尔法粒子的功率（约为总聚变能量的五分之一）大于韧致辐射功率损失+热传导功率损失。在这种情况下，反应堆自己产生的热量就足以维持运行。
那么怎么样才能引起聚变呢？很简单，寻找一个合适的温度，让劳森参数×温度T最小就行了。
由此可得受控D-T核聚变的最低效益温度是4.4KeV的粒子平均动能，也就是4400万度。就氘氚聚变而言，当温度T取30KeV左右，劳森参数×温度最小。
四，约束
除了星际迷航里的三钛合金和极化船壳，估计是没有什么东西能挡住这么高的高温了。很显然，我们需要某种力场才能约束住这些能量。（比如，太阳是引力约束，氢弹是惯性约束，ITER是磁性约束，等。）
磁场有两个特点对于约束非常关键：磁力线闭合，且带电粒子只有垂直于磁力线的运动被洛伦兹力约束，但沿磁力线的运动不会受到磁场的影响。这也是为什么线圈形状的反应堆不可能实现，因为不受洛伦兹力的带电粒子立刻会把容器打碎。由此，螺线管的升级版诞生了：
（1）磁镜
和螺线管直接让带电粒子在一个直的管道里运动不同，磁镜的中间没有磁场约束，形成一个类似于鼓包的磁力线形状。想像一块条形磁铁内部的磁场，然后把中间撑开——差不多就长这个样子。带电粒子进入磁场后沿着中间的磁力线“鼓包”回旋，在这个过程中发生聚变。如果有试图向两侧移动的带电粒子，“鼓包”向内的收紧产生的力会把它们弹回去。当然，如果带电粒子的角速度过小而向两侧移动的速度过大，它还是会被弹出去——洛伦兹力可能约束不住。这也是磁镜的缺点之一。
（2）Z-Pinch（箍缩）
Z-Pinch是约束等离子体最简单的方式之一。现在想象一个内外翻转的电池，正负极不变但中间被掏空。得益于等离子体和电源提供的大电流，极强的磁力线环绕着等离子体，强大的洛伦兹力杜绝了带电粒子攻击装置的可能。在开机阶段，等离子体温度密度都不太高，但电流很大，洛伦兹力压强很强，等离子体将会向心压缩。随着体积的大幅缩小，等离子体的温度和密度迅速升高，很快就可以聚变了。
Z-Pinch的致命缺点在于：如果等离子体在中段出现些微扰动，截面积变小，通过的电流增强，洛伦兹力加强，进一步压缩等离子体。到最后，等离子体会被电流拦腰切断——如果高密度的聚变反应正在进行，你的反应堆很快就会变成超大号无污染清洁超级无敌回旋闪电炸弹。除了这种pinch，还有环形pinch，主要区别在于电流由环形等离子体承载。当然，它们都很难承载住稳定的等离子体。
（3）托卡马克
依靠等离子体电流自身产生的环形磁场稳定地约束等离子体很难，有人就想把螺线管弯曲成一个圈。电流带动带电粒子在环形轨道里无限运动，听起来挺好的。不过，离心力可能会导致“磁场曲率漂移”，带电粒子一边围绕磁力线回旋，一边沿磁力线运动，而我们的头号反派离心力就会施加一个垂直于轨道的力（具体请百度）。
总而言之，会产生破坏粒子约束的漂移运动。
托卡马克通过让线圈磁体也带电，产生修正带电粒子偏转的力，大幅度提升了使用性能。如果我没记错，ITER就是这种。
（4）仿星器
通过把环形线圈再加上一个结，变成8字型，带电粒子经过两个圆弧的相交段时，由于磁力线的曲率和梯度方向相对容器发生了反转，向外的力就被抵消了。这玩意很好，就是有一个问题：怎么支撑？（可以去搜索W7-X仿星器的图片，自己想一下怎么样才能支撑这么个东西）
未完待续……
（本人非相关从业人员，如有和真实物理雷同纯属巧合）
（推荐阅读：等离子体物理与聚变能，科学书库有免费在线版）
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一个系统能自我运转的条件是：产生的能量要大于等于损耗的能量。对于聚变反应来说，引起非常简单，但想要维持就困难了许多。这也是目前所有聚变发电项目的难题。
以最常见的D-T聚变为例，首先，我们知道聚变的方程式：（核反应前后质量数守恒，质量不守恒）
（实际上，反应产生的能量一般是22.4MeV——中子还会和锂6反应再产生4.8MeV的能量。）
所以这是啥意思呢？
字面意思，在D-T发生聚变反应后，两个参与反应的粒子失去了一部分质量，化为17.6MeV的能量。
这其中，中子获得的动能占大头，大约是14MeV。剩下的能量都给了氦原子核，也就是α粒子。在获得了这个式子后，我们很自然地联想到：单位体积内反应的频率乘以反应释放的能量就是单位体积的反应能量密度。
也就是这个式子：Σe=R×ΔE
为了让这个式子转化为更通用的形式，我们需要引入一个概念：反应截面。
一，反应截面
反应截面通常用σ来表示。想象两个粒子，每个周围都有（通常来说）强核力和电磁力组成的力场包围。
这个区域就是反应截面，它意味着一旦粒子进入到反应截面之中，就落入了强核力或是电磁力的作用范围。对于电磁力，我们称它的反应界面为库伦散射截面。（当然这个名字很难听）
设强核力的强度为1，作用范围为10^-15m。电磁力的作用强度为1/137，作用范围非常大（如果有人知道精细结构常数和这玩意的关系请务必告诉我）
对于聚变截面，不难想象两个粒子，设其半径之和为d，那么两者之间的聚变截面就是πd^2。氘和氚的半径几乎相同，可以近似为是一样的。它们的聚变截面是0.8*10^-28m。由于聚变截面实在是太小了，科学家们定义了一个新单位：靶恩，缩写为b。1b大约就是氘和氚的聚变截面，也就是10^-28m。
作为对比，裂变反应中铀235的反应截面是500b。
不难发觉，要进行聚变反应，粒子的碰撞动能需要超过两者之间的电斥力（Physic Stack Exchange上面有人吵这个吵了好久），也就是说要满足下面这个关系式（别奇怪，r被约掉了）
这一式子被称为库伦势垒。经过计算后可得，对于D-T聚变而言，粒子之间必须有超过288Kev的初始动能，不然聚变不会发生。这是相对论下的聚变反应要求。
当然，考虑到量子效应之后，我们发觉即使在较低动能下聚变反应也能发生，就是概率没那么大罢了。（计算过程有双面A4纸那么多，就先不放上来了）
量子效应下的曲线是这个样子
说回最开始的式子：Σe=R×ΔE，我们现在可以稍微修改一下它的形式，让其变得更加通用(单位是W/m^3)：
其中，(σv)的单位是m^3/s，这是个很奇怪的数值。它表示对σ，也就是聚变截面和v，也就是微观粒子运动速度的乘积进行麦克斯韦分布函数……之类的加权平均。v在宏观下是温度的一种体现——粒子的平均动能，温度越大
对于(σv)，我们没必要知道这是个什么东西，只需要知道它随着温度的增大而增大，且在100KeV的粒子平均动能（10*10^9开尔文，不过和摄氏度也没什么区别了）之前波动很大。
现在，我们可以计算任何一个核反应的能量密度……
……吗？
二，损耗
核反应的温度很高。温度高，说明有很多等离子。在这种物质的体系里，离子和电子都分成一堆堆谁也分不清的玩意，而带负电的电子在磁场的吸引下回做出很多的诡异动作，并将损耗的能量以光子的形式放出去。加减速引起的损耗叫刹车辐射（轫致辐射，就是那个英语单词长的特别奇怪的），而转弯引起的损耗叫回旋辐射。
通常来说，我们用贝蒂-海特勒公式计算轫致辐射。它由德国科学家海特勒从麦克斯韦电磁方程组，相对论和麦克斯韦分布函数出发而发现。由于我不会，所以就跳过。
这里已经把相关的物理量带入了，得到一个简化的式子：
Z代表等离子体的总核电荷数或原子序数。ne代表气体中的电子数密度（对于氘与氚，它就代表两种原子核在一起总的数密度，反正它们都只有一个电子）。Te代表电子的温度（用KeV表示，其实就是电子动能）
下面是对于均质氘-氚反应堆，等离子体轫致辐射损耗的能量（网上找的）：
哎呀米诺！
总的来说，韧致辐射功率密度主要和等离子体密度和粒子平均动能（温度）成正比。这也是个很好理解的事——它本身就是由等离子体中粒子乱窜所引发的。
回旋辐射，它来自于非相对论电子的拐弯而非相对论速度电子的刹车，因此它的功率小到忽略不计，而且也非常难算（差不多有两三篇论文那么多），在此不多阐述。
感兴趣的可以去看《天体物理中的辐射机制》第5章：带电粒子在外磁场中的运动：回旋-同步-曲率辐射
三，判据
常见的的判据有俩：劳森判据，点火判据。它们都很好理解，而且也很简单。
劳森判据是英国工程师劳森（和罗森便利店一个英文名）提出的，判据内容很简单也很明了：效率参数×（（聚变产生的总功率-中微子之类的无法利用功率）+韧致辐射功率+热传导功率）大于聚变堆内的的韧致辐射功率损失+热传导功率损失。
他提出了劳森参数nte，也就是数密度n以及能量约束时间te的乘积
点火判据就更简单了：阿尔法粒子的功率（约为总聚变能量的五分之一）大于韧致辐射功率损失+热传导功率损失。在这种情况下，反应堆自己产生的热量就足以维持运行。
那么怎么样才能引起聚变呢？很简单，寻找一个合适的温度，让劳森参数×温度T最小就行了。
由此可得受控D-T核聚变的最低效益温度是4.4KeV的粒子平均动能，也就是4400万度。就氘氚聚变而言，当温度T取30KeV左右，劳森参数×温度最小。
四，约束
除了星际迷航里的三钛合金和极化船壳，估计是没有什么东西能挡住这么高的高温了。很显然，我们需要某种力场才能约束住这些能量。（比如，太阳是引力约束，氢弹是惯性约束，ITER是磁性约束，等。）
磁场有两个特点对于约束非常关键：磁力线闭合，且带电粒子只有垂直于磁力线的运动被洛伦兹力约束，但沿磁力线的运动不会受到磁场的影响。这也是为什么线圈形状的反应堆不可能实现，因为不受洛伦兹力的带电粒子立刻会把容器打碎。由此，螺线管的升级版诞生了：
（1）磁镜
和螺线管直接让带电粒子在一个直的管道里运动不同，磁镜的中间没有磁场约束，形成一个类似于鼓包的磁力线形状。想像一块条形磁铁内部的磁场，然后把中间撑开——差不多就长这个样子。带电粒子进入磁场后沿着中间的磁力线“鼓包”回旋，在这个过程中发生聚变。如果有试图向两侧移动的带电粒子，“鼓包”向内的收紧产生的力会把它们弹回去。当然，如果带电粒子的角速度过小而向两侧移动的速度过大，它还是会被弹出去——洛伦兹力可能约束不住。这也是磁镜的缺点之一。
（2）Z-Pinch（箍缩）
Z-Pinch是约束等离子体最简单的方式之一。现在想象一个内外翻转的电池，正负极不变但中间被掏空。得益于等离子体和电源提供的大电流，极强的磁力线环绕着等离子体，强大的洛伦兹力杜绝了带电粒子攻击装置的可能。在开机阶段，等离子体温度密度都不太高，但电流很大，洛伦兹力压强很强，等离子体将会向心压缩。随着体积的大幅缩小，等离子体的温度和密度迅速升高，很快就可以聚变了。
Z-Pinch的致命缺点在于：如果等离子体在中段出现些微扰动，截面积变小，通过的电流增强，洛伦兹力加强，进一步压缩等离子体。到最后，等离子体会被电流拦腰切断——如果高密度的聚变反应正在进行，你的反应堆很快就会变成超大号无污染清洁超级无敌回旋闪电炸弹。除了这种pinch，还有环形pinch，主要区别在于电流由环形等离子体承载。当然，它们都很难承载住稳定的等离子体。
（3）托卡马克
依靠等离子体电流自身产生的环形磁场稳定地约束等离子体很难，有人就想把螺线管弯曲成一个圈。电流带动带电粒子在环形轨道里无限运动，听起来挺好的。不过，离心力可能会导致“磁场曲率漂移”，带电粒子一边围绕磁力线回旋，一边沿磁力线运动，而我们的头号反派离心力就会施加一个垂直于轨道的力（具体请百度）。
总而言之，会产生破坏粒子约束的漂移运动。
托卡马克通过让线圈磁体也带电，产生修正带电粒子偏转的力，大幅度提升了使用性能。如果我没记错，ITER就是这种。
（4）仿星器
通过把环形线圈再加上一个结，变成8字型，带电粒子经过两个圆弧的相交段时，由于磁力线的曲率和梯度方向相对容器发生了反转，向外的力就被抵消了。这玩意很好，就是有一个问题：怎么支撑？（可以去搜索W7-X仿星器的图片，自己想一下怎么样才能支撑这么个东西）
未完待续……
。多给点图的话可以让人更有耐心看下去。
