核聚变和核裂变是两种不同类型的反应，由于在原子核内发现的粒子之间存在高能原子键而释放能量。在裂变中，一个原子分裂成两个或更多更小、更轻的原子。相反，当两个或两个以上的小原子融合在一起，形成一个更大、更重的原子时，就会发生聚变。

对比图

定义

核聚变是两个或多个原子核结合形成一个原子序数更高的新元素（原子核中有更多的质子）的反应。聚变过程中释放的能量与E=mc2（爱因斯坦著名的能量质量方程）有关。在地球上，最有可能的聚变反应是氘-氚反应。氘和氚是氢的同位素。

氘+锶=氦+10n+17.6MeV

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核裂变是将大质量的原子核分裂成伽马射线、自由中子和其他亚原子粒子形式的光子。在涉及235U和中子的典型核反应中：

23592U+n=23692U

然后

23692U=14456Ba+89 36Kr+3n+177兆电子伏

裂变与聚变物理学

原子被自然界四种基本力中的两种力结合在一起：弱核键和强核键。原子键中的总能量称为结合能。键内的结合能越多，原子就越稳定。此外，原子试图通过增加它们的结合能来变得更稳定。

铁原子的核子是自然界中最稳定的核子，它既不融合也不分裂。这就是为什么铁处于结合能曲线的顶端。对于比铁和镍轻的原子核，可以通过核聚变将铁和镍原子核结合在一起来提取能量。相比之下，对于比铁或镍重的原子核，可以通过核裂变将重原子核分裂来释放能量。

分裂原子的概念起源于新西兰出生的英国物理学家欧内斯特·卢瑟福的工作，这也导致了质子的发现。

裂变和聚变的条件

裂变只能发生在核内中子比质子多的大同位素中，这就导致了一个稍微稳定的环境。尽管科学家们还没有完全理解这种不稳定性为什么对裂变如此有帮助，但一般的理论是，大量质子在它们之间产生强大的排斥力，太少或太多的中子会产生“间隙”，导致核键的削弱，导致衰变（辐射）。这些具有更多“间隙”的大核可以在热中子的冲击下“分裂”，即所谓的“慢”中子。

发生裂变反应的条件必须是正确的。为了使裂变能够自我维持，物质必须达到临界质量，即所需的最小质量；低于临界质量将反应时间限制在微秒。如果达到临界质量的速度太快，也就是说在纳秒内释放了太多的中子，那么反应就变成了纯粹的爆炸性反应，就不会发生强大的能量释放。

核反应堆大多是受控的裂变系统，利用磁场来容纳杂散中子；这就产生了大约1:1的中子释放率，意味着一个中子从一个中子的撞击中产生。由于这个数字在数学上的比例不同，在所谓的高斯分布下，磁场必须保持，反应堆才能运转，控制棒必须用来减慢或加速中子活动。

当两个较轻的元素被巨大的能量（压力和热量）强迫在一起，直到它们融合成另一个同位素并释放能量时，就会发生聚变。开始聚变反应所需的能量是如此之大，以至于需要原子爆炸才能产生这种反应。不过，一旦核聚变开始，只要受到控制，基本的核聚变同位素得到供应，理论上它就可以继续产生能量。

最常见的聚变形式发生在恒星中，称为“D-T聚变”，指的是两种氢同位素：氘和氚。氘有2个中子，氚有3个，比氢的一个质子还多。这使得聚变过程更容易，因为只有两个质子之间的电荷需要克服，因为中子和质子的聚变需要克服类似带电粒子的自然排斥力（质子带正电荷，与中子不带电相比，D-T聚变的温度（瞬间）接近8100万华氏度（4500万开尔文或略低于摄氏度）。相比之下，太阳的核心温度大约为2700万华氏度（1500万摄氏度）

一旦达到这个温度，所产生的核聚变就必须保持足够长的时间以产生等离子体，这是物质的四种状态之一。这种遏制的结果是从D-T反应中释放能量，产生氦（惰性气体，对每一个反应都是惰性的）和多余的中子，而不是为更多的聚变反应“播种”氢气。目前，还没有安全的方法来诱导初始聚变温度或控制聚变反应以获得稳定的等离子体状态，但仍在努力。

第三种反应堆称为增殖反应堆。它的工作原理是利用裂变产生钚，钚可以作为其他反应堆的种子或燃料。增殖反应堆在法国广泛使用，但价格昂贵，需要采取重要的安全措施，因为这些反应堆的产出也可用于**核武器。

连锁反应

裂变和聚变核反应是连锁反应，意味着一个核事件至少会引起另一个核反应，而且通常会引起更多的核反应。结果是一个不断增加的反应循环，很快就会变得不受控制。这种类型的核反应可以是重同位素的多次分裂（如235 U）或轻同位素的合并（如2H和3H）。

当中子轰击不稳定同位素时，就会发生裂变链式反应。这种“冲击和分散”过程很难控制，但初始条件相对简单。聚变链式反应只有在极端的压力和温度条件下才能发展，而这些条件通过聚变过程中释放的能量保持稳定。初始条件和稳定场都很难用现有技术实现。

能量比

聚变反应释放的能量是裂变反应的3-4倍。虽然没有地球上的聚变系统，但太阳的输出是聚变能量产生的典型特征，因为它不断地将氢同位素转化为氦，发出光和热的光谱。裂变产生能量的方式是分解一种核力（强大的核力），释放出大量的热量，而不是用来加热水（在反应堆中），然后产生能量（电）。聚变克服了两种核力（强核力和弱核力），释放出的能量可以直接用于发电；因此，不仅释放了更多的能量，还可以利用它进行更直接的应用。

核能利用

1947年，第一个用于能源生产的实验性核反应堆在安大略省的Chalk河开始运行。此后不久，1951年，美国的第一个核能设施，实验增殖反应堆-1启动；它可以点亮4个灯泡。三年后的1954年，美国发射了第一艘核潜艇“鹦鹉螺”，苏联则在奥布宁斯克发射了世界上第一座用于大规模发电的核反应堆。一年后，美国在爱达荷州阿科市（Arco，Idaho）启动了其核电生产设施。1,000).

第一个利用核反应堆生产能源的商业设施是位于英国温斯卡尔（现为塞拉菲尔德）的考尔德霍尔工厂。这也是1957年第一次核事故的发生地，当时由于辐射泄漏引发火灾。

美国第一座大型核电站于1957年在宾夕法尼亚州的希平港建成，1956年至1973年间，美国共发射了近40个发电核反应堆，其中最大的是伊利诺伊州锡安核电站的1号机组，容量为1155兆瓦。此后，没有其他订购的反应堆上线，尽管其他反应堆是在1973年之后启动的。

法国发射了他们的第一个核反应堆，Phé1973年，美国最强大的发电反应堆（1315兆瓦）在俄勒冈州的特洛伊发电厂于1976年启用。到1977年，美国有63座核电站在运行，提供了全国3%的能源需求。另外70个计划在1990年上线。

三里岛的二号机组发生了部分熔毁，向环境中释放了惰性气体（氙气和氪气）。反核运动因这一事件引起的恐惧而增强。1986年，乌克兰切尔诺贝利核电站4号机组发生失控的核反应，导致核设施爆炸，放射性物质扩散到整个地区和欧洲大部分地区，这更加剧了人们的担忧。20世纪90年代，德国特别是法国扩大了核电站规模，重点发展规模较小、因而可控性更强的反应堆。中国于2007年启动了第一批2座核设施，总发电量为1866兆瓦。

尽管在全球发电量中，核能排在煤炭和水力发电之后的第三位，但关闭核电站的努力，加上建造和运营此类设施的成本不断增加，已造成核能发电使用的倒退。法国的核反应堆发电比例居世界首位，但在德国，太阳能已经取代核能成为能源生产国。

美国仍有60多个核设施在运行，但投票活动和反应堆老化已经关闭了俄勒冈州和华盛顿的核电站，还有几十个核电站成为**者和环保组织的攻击目标。目前，似乎只有中国在扩大核电站的数量，因为它寻求减少对煤炭的严重依赖（煤炭污染率极高的主要因素），并寻求进口石油的替代品。

关注

对核能的恐惧来自于它的极端，它既是一种武器又是一种能源。反应堆的裂变产生的废料本身就很危险（见下文），可能适合**脏弹。尽管一些国家，如德国和法国，在其核设施方面有着良好的记录，但其他不太积极的例子，如三里岛、切尔诺贝利和福岛的例子，使许多人不愿意接受核能，尽管核能比矿物燃料安全得多。聚变反应堆有朝一日可能成为所需的廉价、丰富的能源，但前提是创造聚变和管理聚变所需的极端条件能够得到解决。

核废料

裂变的副产品是放射性废物，需要数千年才能失去其危险的辐射水平。这意味着核裂变反应堆也必须对这些废物及其运输到无人居住的储存或倾倒地点进行保护。有关这方面的更多信息，请阅读有关放射性废物管理的文章。

自然发生

在自然界中，聚变发生在恒星中，例如太阳。在地球上，核聚变最早是在氢弹的**中实现的。聚变也被用于不同的实验装置，通常是希望以可控的方式产生能量。

另一方面，裂变是一种在自然界中通常不会发生的核过程，因为它需要大量的物质和入射中子。即便如此，也有天然反应堆发生核裂变的例子。这是1972年发现的，当时来自加蓬奥克洛的铀矿被发现在大约20亿年前曾经发生过自然裂变反应。

影响

简言之，如果裂变反应失控，要么它爆炸，要么产生它的反应堆融化成一大堆放射性熔渣。这样的爆炸或熔毁会释放成吨的放射性粒子到空气和任何邻近的表面（陆地或水），每反应持续一分钟就会污染它。相反，失去控制的聚变反应（变得不平衡）会减慢速度并降低温度，直到停止。当恒星将氢燃烧成氦并在数千世纪的排出过程中失去这些元素时，就会发生这种情况。聚变产生的放射性废物很少。如果有任何损坏，它将发生在核聚变反应堆的周围，其他几乎没有。

使用聚变产生能量要安全得多，但使用裂变是因为分裂两个原子所需的能量比聚变两个原子所需的能量要少。此外，控制聚变反应所涉及的技术挑战还没有被克服。

使用核武器

所有的核武器都需要核裂变反应才能发挥作用，但是“纯”裂变弹，那些单独使用裂变反应的，被称为***或***。***于1945年首次在新墨西哥州进行试验，当时正值第二次世界大战的**。同年，美国在日本广岛和长崎将其用作武器。

自从***问世以来，大多数被提议和/或设计的核武器都以某种方式增强了裂变反应（例如，见增强型裂变武器、放射性**和中子弹）。热核武器——一种同时使用裂变和氢基聚变的武器——是更为人所知的武器进步之一。虽然热核武器的概念早在1941年就提出了，但直到20世纪50年代初氢弹才首次试验。与***不同，氢弹没有用于战争，只是经过测试（例如，见沙皇**）。

迄今为止，还没有核武器单独利用核聚变，尽管**的防御计划已经对这种可能性进行了大量研究。

成本

裂变是一种强大的能源生产形式，但它具有内在的低效性。核燃料，通常是铀235，开采和提纯成本很高。裂变反应产生的热量被用来煮沸水，使蒸汽转动涡轮发电。这种从热能到电能的转换既麻烦又昂贵。效率低下的第三个原因是核废料的清理和储存费用非常昂贵。废物具有放射性，需要妥善处置，必须严密安保，确保公共安全。

为了发生核聚变，原子必须被限制在磁场中，并被升高到1亿开尔文或更高的温度。这需要大量的能量来启动聚变（***和激光被认为提供了“火花”），但也需要适当地控制等离子体场，以便长期产生能量。研究人员仍在努力克服这些挑战，因为聚变是一种比裂变更安全、更强大的能源生产系统，这意味着它最终的成本将低于裂变。

参考文献

• 裂变和聚变-布莱恩·斯瓦索特在YouTube上
• 核历史时间表-在线教育数据库
• 核稳定性与幻数
• 维基百科：核聚变
• 维基百科：核裂变