四大聚变反应终极对决！——揭秘“人造太阳”背后的燃料密码

发布时间：2025-03-21　　　　 次浏览

　　核聚变：人类能源的终极梦想

　　当轻原子核在超高温或高压下发生聚合反应而生成较重的原子核，瞬间释放的能量足以改写人类能源史——这便是核聚变反应的魅力。

　　但实现可控核聚变，选择哪种"燃料配方"最有可能成功？本文将解析氘氚（D-T）、氘氘（D-D）、氘氦3（D-³He）、氢硼（p-¹¹B）四种聚变反应的优劣势以及技术突围方向。

　　四大聚变反应技术全景解析

　　1. 氘氚（D-T）聚变：最接近现实的「人造太阳」

　　D+T→4He+n+17.59MeV

　　▍核心优势

　　最低点火门槛：1~3亿℃（为太阳核心温度的10倍）

　　能量输出强劲：单次反应释放17.59 MeV能量

　　已验证可行性：磁约束聚变方面，欧盟JET和美国TFTR装置于上世纪开展了氘氚等离子体实验，JET装置先后创造了16.1 MW聚变功率和69 MJ聚变能量的世界纪录。日本JT-60U装置开展了氘氘等离子体实验，实现等效聚变增益1.25，即实现了聚变功率输出大于能量输入。惯性约束聚变装置方面，美国国家点火装置NIF也实现了聚变增益大于1

　　我国可控核聚变装置代表：新一代“人造太阳”中国环流三号（HL-3）实现等离子体电流1.6MA，达到国际领先水平，等离子体电流、聚变“三乘积”等核心参数将再上新台阶

　　

　　HL-3装置图片

　　▍主要挑战

　　针对磁约束聚变：①燃烧等离子体稳态运行 ②聚变中子材料考验（能量高达14.1 MeV） ③氚燃料自持

　　针对惯性约束聚变：①极端物理过程的精密控制（如不稳定性抑制） ②高能量驱动技术突破（如激光效率提升） ③材料与工程极限挑战（如靶丸与反应室设计）

　　2. 氘氘（D-D）聚变：海洋馈赠的「清洁选项」

　　D+D→H+T+4.04MeV

　　D+D→n+3He+3.27MeV

　　▍革命性突破

　　燃料无限：氘可直接从海水中提取（每升海水含0.03g氘，完全发生核聚变反应释放能量相当于300L汽油）

　　辐射更低：中子能量仅2.45 MeV（约为D-T聚变的1/7），材料损伤风险相对缓解

　　▍技术天花板

　　点火温度暴增：需5~10亿℃高温（D-T反应的5~10倍）

　　能量密度较小：单次释能仅3.27~4.04 MeV（不足D-T的1/4）

　　3. 氘氦3（D-³He）聚变：月球矿场的「能量宝石」

　　D+3He→4He+H+18.34MeV

　　▍梦幻特性

　　发电效率飞跃：发电效率大幅提高，产物中的带电粒子可直接进行能量转换发电

　　单次能量峰值：18.34 MeV（四大反应中最高）

　　▍现实掣肘

　　燃料极度稀缺：地球上氦3储量极为有限，月球预估存量百万吨级

　　获取方式困难：其他核反应进行增殖或在月球开采，价格昂贵

　　点火难度不降：最佳点火温度与D-D聚变一致，次级反应仍然会产生中子

　　4. 氢硼（p-¹¹B）聚变：无中子的「终极幻想」

　　p+11B→34He+8.68MeV

　　▍颠覆性优势

　　零放射性：反应产物无中子

　　燃料唾手可得：全球储量丰富且易于获取

　　▍地狱级难度

　　温度炼狱：需15~30亿℃（超D-T反应数十倍）

　　三乘积壁垒：即便不考虑辐射，点火条件也比D-T聚变高3个数量级

　　

　　技术路线对决：数据说话

　　

　　

　　未来展望：谁将主宰聚变时代？

　　根据美国聚变产业协会发布的《2024年全球聚变产业》，全球45家私营公司中69%的商业公司押注D-T路线，而p-¹¹B和D-D以9%并列第二。

　　

　　私营聚变公司燃料统计图

　　总体上，氘氚（D-T）聚变是地球上最容易实现的核聚变反应，且相关研究已步入工程化阶段，是人类第一代聚变堆的主流选择。全球现有p-¹¹B聚变研究仍处于基础研究阶段，随着技术的迭代升级，氘氦（D-³He）、氘氘（D-D）及氢硼（p-¹¹B）聚变等有可能会发展成为新一代的聚变反应堆。

　　核聚变竞赛已进入下半场——这场能源革命的终极答案，或许就藏在今日科学家的实验室中。

　　（内容来源：核工业西南物理研究院）