东吴证券可控核聚变系列深度报告首篇从核聚变基本原理出发，系统阐述这一终极能源的技术路径。核聚变是轻原子核在极端条件下克服电磁斥力、进入强核力范围后结合成较重原子核并释放能量的过程。氘氚反应因其聚变三重积要求最低，成为当前主流技术路线的首选燃料。本文基于东吴证券研报，从能量来源、反应条件到技术路径，逐层拆解可控核聚变的底层科学逻辑。
核聚变的能量来源——质量亏损与质能方程
核聚变的能量来源于反应前后质量的微小亏损。以经典的氘氚反应为例：氘核（²H）和氚核（³H）结合成氦核（⁴He），同时释放一个中子和大量能量。反应前氘核和氚核质量之和为8.355×10⁻²⁷千克，反应后氦核和中子质量之和为8.324×10⁻²⁷千克，质量亏损0.031×10⁻²⁷千克。
根据爱因斯坦质能方程E=mc²，这部分质量差转化为17.6MeV能量释放。单个氘氚反应释放17.6MeV的能量看似微不足道，但考虑到每克氘氚燃料中发生的反应数量级高达10²³次，其单位质量释放能量约为化石燃料的千万倍。这正是核聚变被视为“终极能源”的根本原因——燃料来源丰富且能量密度极高。
克服电磁力——强核力是聚变实现的物理基础
原子核带有正电荷，当两个原子核相互靠近时，电磁力使它们相互排斥。要发生核聚变，原子核必须足够接近，进入强核力的作用范围。宇宙四种基本力中，强核力强度最大（相对强度为1），但作用范围极短，仅约10⁻¹⁵米（原子核尺度）；电磁力强度为10⁻²，作用范围无限。
强核力的强度约为电磁力的100倍，足以克服质子间的电磁斥力，将核子紧密结合在原子核内。然而，强核力的超短作用范围意味着原子核必须“贴”得足够近才能触发聚变。这一物理约束决定了核聚变反应必须依赖极端的外部条件——高温、高压或强磁场——来“压缩”原子核之间的距离。
劳森判据——聚变三重积的临界阈值
要使原子核进入强核力范围，需同时满足三个条件：足够高的温度（T）、一定的密度（n）和足够的能量约束时间（τ_E）。三者的乘积称为聚变三重积nTτ_E。只有当聚变三重积达到或超过某一阈值时，聚变反应才能实现能量净输出，这一判断标准称为劳森判据。
对于氘氚反应，劳森判据要求聚变三重积至少达到3×10²¹[keV·s/m³]。这一阈值意味着：温度越高，密度和约束时间的要求就越宽松。不同聚变反应的三重积要求差异显著，氘氚反应在15keV（约1.74亿摄氏度）时三重积最低，这也是全球主流托卡马克选择氘氚燃料的核心原因。聚变三重积是衡量核聚变反应效率和性能的关键指标，也是判断实验装置能否达到“点火”条件的核心依据。
氘氚反应——为什么是首选燃料
核聚变燃料的选择范围很广，包括氘氚（D-T）、氘氘（D-D）和氘-氦3（D-He3）等。但氘氚反应在工程上具有明显优势：其反应截面（强核力起作用的范围）较大，碰撞融合概率更高；点火温度相对较低，约1亿摄氏度；在15keV时聚变三重积最小。
氘和氚的供应来源也相对充分。氘可从海水中提取，储量足以支持人类使用数十亿年；氚虽在自然界中极少，但可在反应堆中通过中子轰击锂-6增殖产生。综合物理特性与工程可行性，氘氚反应是目前唯一接近满足劳森判据的聚变反应，也是国际热核聚变实验堆（ITER）和所有主流托卡马克装置采用的燃料方案。
三种聚变反应的关键参数对比| 反应类型 | 反应方程 | 点火温度 | 三重积最低点 |
|---|
| 氘氚（D-T） | ²H+³H→⁴He+n+17.6MeV | 约1亿°C | 15keV时最低 |
| 氘氘（D-D） | ²H+²H→³He+n+3.27MeV | 约4亿°C | 显著高于D-T |
| 氘-氦3（D-He3） | ²H+³He→⁴He+p+18.3MeV | 约5亿°C | 最高 |
自持燃烧——从外部加热到能量自给
氘氚反应生成的高能氦核（α粒子）携带3.5MeV能量，这些高能粒子可将能量传递给周围等离子体，维持反应所需的高温。在聚变反应堆中，通过循环利用α粒子的能量，可以在停止外部能量输入后依靠聚变产物维持等离子体温度，实现自持燃烧。
自持燃烧是实现可控核聚变的关键目标之一。达到自持燃烧的前提是约束时间足够长——等离子体必须在足够长的时间内保持高温，使其内部产生的聚变功率足以弥补能量损失。这一时间长短取决于等离子体的温度、密度和能量约束效率。在磁约束聚变中，等离子体的平均离子温度、密度和能量约束时间三者的乘积需满足劳森判据，才能跨过自持燃烧的门槛。
