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2024年3月11日发(作者：)
直接聚变方案及其可行性
雷奕安，X健，管晓寅，王直轩，陈超，X桦森
大学物理学院，100871
摘要
本文提出了用加速器加速宏观带电微粒，让微粒能量达到2MJ以上，轰击
固定靶，以引发聚变的方案，即直接聚变方案。由于没有充分的理论和实验支
持，我们分析了方案中可能存在的各种基本物理问题，对一些基本过程和物理
量进行了估算，探讨了该方案的可行性，并比较了该方案与主流聚变方案的优
势及其可行性问题。
关键词：加速器，聚变，离子束
一、引言
能源是人类生存的条件，是人类发展的动力。人类社会发展到现在，最明显地特征和趋
势之一就是无休止的加速的对能源的需求。当前人类社会面临的重大问题，发展，能源，环
境，世界和平，都与能源直接相关，可是现在传统能源逐渐枯竭，以太阳能，风能，生物质
能等为代表的绿色新能源虽然理论上能满足人类生存和发展的需要，但是只有它们显然是不
够的。比如如果世界气候发生大X围的灾害性变化，人类很可能只能束手待毙。而如果掌
握了取之不尽用之不竭的聚变能源，我们将有机会逃过这种世界末日之劫。在这种特定条件
下，其它任何一种能源都是不可靠的。在现阶段，如果我们能够大规模经济地获得聚变能源，
世界面临的许多重大问题将迎刃而解。
然而，虽然人类发现聚变已经上百年了，大规模聚变装置的出现也已经过了50多年，
但能够有效利用聚变能量的受控核聚变却还相当遥远
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。
二、主流聚变方案及其挑战
现行的主流聚变方案分为惯性约束和磁约束两类。作为聚变能源的来源，也是现在世界
主要国家和机构的选择，大家更看好磁约束聚变方案。惯性约束，虽然是一个非常重要的基
础研究方向，但作为大规模清洁聚变能量的来源，还是存在产生能量总量太低（激光，重离
子束聚变），重复频率低（激光，Z-pinch），装置被消耗的部分过多(重离子，Z-pinch)等很难
克服的缺点。可是，磁约束聚变方案，包括大家最看好的托卡马克和仿星器方案，除了理论
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和计算还没有经过大型装置和长时间稳定燃烧的检验之外，在工程方面有着极其严峻的挑
战，这一点可以从ITER项目的巨额费用和漫长工期上看出来。工程的复杂性和巨额费用又
带来了严重的维护问题。
三、加速器驱动聚变介绍
用加速器来实现聚变，早在聚变刚刚发现的时候，现代核物理之父，卢瑟福爵士，就断
言用这种方案来获取能源是不可能的。原因众所周知，核聚变反应截面太小。反应产生的能
量远远低于维持加速器运转所需要的能量。尽管如此，还是有人试图利用精巧的设计做出简
单的聚变装置，如Migma方案
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，但最后证明是行不通的
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。还有耗能大于聚变产生能量，
但可以用作中子源的fusor装置
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。
对于惯性约束来说，实现聚变的关键在于，要在足够短的时间内以足够的密度对聚变材
料注入足够的能量，当然还要能维持一定的约束时间。除了利用大功率激光，高电流
(Z-pinch)，加速器也是一个选择，重离子聚变方案（Heavy Ion Fusion, HIF）就采用了加速
器方案。
四、重离子聚变方案及其挑战
与别的惯性约束方案相比，HIF有一些很好的特点，比如：总注入能量很高，很容易达
到数十MJ；重复频率高，很容易达到每秒5到10次；加速器的能量转换效率高，能达到
30%以上，远远大于激光器的效率；可靠性好，现有的加速器已经证明了，加速器能以较高
的使用率连续工作10年以上；还有就是不需要非常靠近聚变发生区、容易损耗的复杂部件，
这对发电厂的持续性是非常重要的。其实这几点都是激光聚变方案的不足之处。正因为如此，
美国能源部和国会确信，如果要建立大规模的商业聚变电厂，HIF是最有希望的惯性约束方
案。
然而，在HIF方案中，最大的问题是离子束密度过低。一般加速器中的离子束密度用
电流表示只有毫安量级，换算成密度比一般凝聚态低十几个量级，因此虽然离子的能量很高
（GeV量级），离子束的总能量也很高，但总的能量密度有限。离子束的照射时间远远大于
聚变材料热爆炸开的时间。所以，在HIF方案中，最大的问题在于如何提高离子束的密度
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。
在这方面虽然已经有了很大的进展
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，但总的密度仍然低于普通凝聚态一百万倍以上。根据
规划，现在经过各种努力后达到的密度，还需要再提高1000倍（纵向100倍，横向10倍），
才能达到聚变点火的要求。这是一项极大的挑战，也是大家更看好磁约束方案的原因。
表1 HIF实现聚变发电的目标参数
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总离子束能量
聚焦半径
离子密度
脉冲长度
峰值功率
离子能量
总离子束电流
5 MJ
3 mm
0.1 g/cm
2
10 纳秒
400 TW
3-10 GeV
40 kA
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