热核聚变：实验室中再现恒星内核的核聚变

在热核聚变中，核反应堆或星体中的燃料达到极高的温度和压力。第二组^[5]中的方法是一个在非平衡系统中的例子。在这种系统中，邻近温度很低的材料的较小区域会产生非常高的温度与压力。麻省理工学院Todd Rider的博士论文从理论上研究了拟中性的、各向同性的非平衡态核聚变系统。他证明，由于轫致辐射的影响，等离子体中电子与温度较低的其他电子或粒子相撞并突然减速，所以这些系统都会以极快的速度泄漏能量。问题的关键并不取决于热等离子体中的温度变化范围而是运动速度的骤降。需要注意的是，Rider博士的研究并不适用于非中性或各向异性的非平衡等离子体[4]。

自然界中最重要的核聚变反应是为星体提供能量的那些聚变。核聚变反应的最终结果是四个质子聚合成一个α粒子同时释放两个正电子、两个微中子（将两质子变为两中子）和能量，但是取决于星体的质量，还会涉及几个单独的反应。在与太阳大小相近或略小的星体中，质子-质子链占主导地位。而在更重的星体中，碳氮氧循环（CNO Cycle）更加重要。两种过程都是恒星核创造新元素的重要环节（见图2-3）。

在恒星内核的温度和密度下，核聚变反应的速率非常慢。例如，在太阳核心温度（T≈15MK）和密度（160g/cm³）下，能量释放率仅为276μW/cm³——大概为一个处于休息状态的人体积比例所产生热量的1/4。因此，在实验室中再现恒星内核中的核聚变进行电力生产是不切实际的。由于核反应速率密切依赖于温度（exp（-E/kT）），所以在地球上的核反应堆中实现合理的能量产率需要将反应温度提高10～100倍（与恒星内部相比），即T≈0.1～1.0GK。

(https://www.xing528.com)

图2-3 与太阳质量相近或略小的星体中，质子-质子链起主导作用

（摘自期刊Canada Wide Virtual Science Fair 2009，Nuclear fusion，Nuclear Power.

http：//www.virtualsciencefair.org/2009/xing9d2/fusion.htm）