最后更新：2025年9月7日

聚变与裂变：两种核反应，两种能源路径

对比图：核裂变与核聚变 — 比较裂变（重核分裂）与聚变（轻核结合）过程的示意图。 4个重子的聚变释放3.2兆电子伏特能量。 235个重子的裂变释放200兆电子伏特能量。图片来源：astronoo.com

核反应：裂变与聚变

核反应（涉及原子核的转化）是宇宙中能量释放最剧烈的过程。释放物质中蕴含的能量主要有两种途径：核裂变与核聚变。尽管原理截然不同，这两种反应都遵循阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955）的著名方程：\(E = mc^2\)，该方程确立了质量与能量的等价关系。

核裂变：分裂以求存

裂变是指重原子核（如铀-235或钚-239）在中子撞击下分裂成两个较轻碎片的过程。释放的能量来源于与每个核子结合能相关的质量差。通常，\(^{235}\)U在捕获一个中子后，每次核裂变反应会释放约\(200\ \text{MeV}\)的能量。

1938年由奥托·哈恩（1879-1968）和弗里茨·斯特拉斯曼（1902-1980）发现，并经莉泽·迈特纳（1878-1968）和奥托·弗里施（1904-1979）解释的这一反应，释放出巨大能量和多个中子，这些中子又能引发新的裂变，从而形成链式反应。

释放的能量来源于质量亏损：裂变产物的总质量小于初始原子核的质量。尽管这种质量亏损极其微小，但根据 \(E = \Delta m c^2\)（其中 \(\Delta m\) 为质量差，\(c\) 为光速），它会转化为巨大的能量。

总之，原子核发生裂变是因为当尺寸超过一定限度时，以两个中等质量的原子核形式存在比作为一个重而不稳定的原子核在能量上更为有利。裂变正是这种追求稳定性的体现，由中子轰击所触发。

核聚变：团结就是力量

相反，核聚变涉及两个轻原子核（如氢同位素氘\(^{2}\)H和氚\(^{3}\)H）结合形成更重的原子核（氦\(^{4}\)He）。这一过程为太阳等恒星提供能量，每个核子释放的能量甚至超过裂变。为克服带正电原子核之间的静电排斥（库仑势垒），需要极端的高温（数百万摄氏度量级）和高压条件。每次氘-氚反应释放的能量约为\(17.6\ \text{MeV}\)。

在地球上掌握聚变技术是一项巨大的技术挑战，但其潜力巨大：燃料丰富、长寿命放射性废物产量低，且不存在失控反应的风险。

注：当提到氘-氚聚变释放17.6 MeV时，这指的是每个基本反应的总能量，即一个氘核（\(^{2}\)H）与一个氚核（\(^{3}\)H）相互作用所释放的能量。该能量分布在氦-4原子核（约3.5 MeV）和一个中子（约14.1 MeV）之间。由于该反应涉及5个重子（2+3），每个核子的能量为： \[ \frac{17.6}{5} \approx 3.5\ \text{MeV/核子}. \] 这一数值常与其他核过程对比：裂变释放约0.9 MeV/核子，而聚变可达数MeV/核子，因此在反应物质量尺度上具有更优越的能量潜力。

特征	裂变	融合	如何
反应物	重核（U-235，Pu-239）	轻核（氘、氚、氦-3）	浓缩铀供应有限，海水中氘含量丰富
每次反应释放的能量	≈ 200 兆电子伏	≈ 17.6 兆电子伏	每元反应的总能量
比能（每核子）	≈ 0.85 MeV/重子	≈ 3.5 MeV/重子	允许直接比较能源效率
点火条件	临界质量	密度 × 温度 × 约束时间（劳森判据）	聚变需要约10^8 K的温度以及长时间的约束。
工作温度	热中子反应堆约为300–600°C	约1亿开尔文用于D-T等离子体	聚变需要极高温的等离子体
能源效率	当前发电厂中约为33–37%	ITER和DEMO预计约为30–50%	效率受限于热转换及损耗
中子产生	快中子发射（每次裂变约2–3个）	极高能量的中子（14兆电子伏）用于氘-氚反应	中子能够激活材料并引发嬗变。
当前应用	核电站，原子弹	实验（ITER、NIF）、氢弹	受控聚变仍处于实验阶段
废物	长寿命放射性废物	低放射性或瞬态放射性废物（材料的中子活化）	聚变产生的长期有害废物更少
风险	可能的严重事故、临界事故、放射性污染	局部爆炸风险低，中子活化	聚变本质上比裂变更安全
所需技术	热中子或快中子反应堆、控制棒、慢化剂	磁约束（托卡马克、仿星器）或惯性约束（激光）	聚变约束技术仍处于实验阶段
燃料可用性	浓缩铀或再循环钚	丰富的氘，以及通过锂辐照产生的氚	氘几乎取之不尽，氚则稀少且需人工生产。
反应持续时间	反应器中连续且可控	实验中稳定等离子体持续几秒到几分钟	聚变仍局限于短暂的约束时间

聚变与裂变：两种核反应，两种能源路径

核反应：裂变与聚变

核裂变：分裂以求存

核聚变：团结就是力量

两种能源路径的比较

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