原子核聚变反应（以下简称聚变）是两个或多个较轻的原子核聚合成一个或多个较重的原子核和其它粒子的反应。氦、碳、氧、硅、铁等构成当前宇宙的主要元素都是聚变产物。但对于人类来说，聚变释放的巨大能量（聚变能）是最吸引人的。表1列出了一些聚变的方程式、质量亏损和能量释放，并与煤碳的燃烧对比。可以看出，一次聚变释放的能量远远多于一个碳原子的氧化反应。

表1 几种聚变反应和煤燃烧反应对比

1.聚变能的来源

图1 原子核平均结合能（结合能/核子数量）与原子核质量数的关系

巨大的聚变能（裂变能也是）源自原子核平均结合能的差异。如图1，⁵⁶Fe具有最高的平均结合能。因此，比⁵⁶Fe轻的原子核聚变可能释放能量，大部分比⁵⁶Fe重的原子核可以通过裂变反应释放能量（比如n+²³⁵U→⁹²Kr+¹⁴¹Ba+3n）。而且，反应物与反应产物之间平均结合能差异越大，单次聚变（或裂变）释放的能量就越大。从这个角度出发，为了最有效地获取聚变能，似乎应该选择太阳核心聚变反应：4¹H→⁴He^2-+2e⁺+2v毕竟原子核H和He之间的平均结合能差异是最大的。然而，利用聚变还需要考虑其他很多方面。

2.聚变功率

实际上，对于任何一种能源，人们更关注的是能量释放速率——功率（或者更经济化的指标功率密度）。对于聚变来说，也是如此。单位体积内聚变功率 P=R△E，其中R是单位体积内聚变的发生频率，△E是单次聚变可释放的能量。很容易推导，，其中n₁和n₂是发生聚变的原子核密度，σv聚变反应速率（σ是聚变反应截面,v是原子核运动速度）。所以,聚变功率密度 

。

以太阳为例：太阳内部氢原子核密度非常高（n₁=n₂≈10³²m^-3 ），氢聚变成氦释放的能量也非常大（），那么，太阳内部聚变功率密度有多高？

可能不少朋友会认为，既然都是聚变反应，是不是应该跟氢弹爆炸（图2^[1]）的功率密度（ 10¹²kW/m³ ）差不多？

图2 氢弹爆炸1E12 kW/m^3

即使没有氢弹那么高的功率密度，至少也不应该比现有核电站堆芯（图3^[2]）功率密度（10⁵kW/m³  ）低吧？

图3 核电站堆芯1E5 kW/m^3

然而，令人难以置信的是，太阳内部聚变功率密度P≈0.3kW/m³,还不如人体的热辐射（图4^[3]）功率密度（1kW/m³）!

图4 太阳内部聚变功率密度还不如人体辐射功率密度（1 kW/m^3）

实际上，尽管氢聚变成氦释放的能量很多，太阳内部密度也很高，但由于质子链聚变反应截面非常小，σ≈10^-54m³/s仍然这个值是理论估算的，由于反应截面太小，实验室根本不可能收集到足够的反应数据），即使乘上氢核热速度v=10⁷m/s，聚变反应速率仍然非常非常慢，导致太阳内部的聚变功率密度极低。之所以整个太阳系都能感受到功率巨大的太阳辐射，完全是因为太阳的体积实在是太庞大了！换句话说，如果把一堆人堆在一起，组成一个像太阳那么大的球体，辐射功率会比太阳还要大2倍。如果使用太阳内部的氢聚变成氦反应来发电，先不说难度如何，体积就会让人无法接受：1个百万千瓦电站，光聚变反应空间就得至少占用1千万立方米，无论是跟燃煤电站还是跟核电站比，都大得吓死人。

3.人类可用的聚变反应

从上面的例子可以看出，人类若要选择某种聚变反应作为能源，除了考虑单次反应释放的能量，更应该考虑反应发生概率，或者说聚变反应截面σ。如表2，氘氚（DT）聚变反应截面高出其他所有聚变反应两个数量级以上，是人类最容易实现的聚变反应，因此也成为了人类开发聚变能的首选。并且，单次DT聚变释放的能量达17.6 MeV，仅次于氢聚变成氦，可以获得较高的聚变功率密度。当然了，DT聚变反应并不完美：T的半衰期只有12.43年，因此自然界并不存在T，需要建设“氚工厂”来生产（这是目前聚变能面临的主要问题之一）；DT聚变产生的14 MeV中子将给材料带来巨大挑战，也很麻烦。后面会对这两个问题作专门的介绍。此外，氘氘、氘氦-3聚变反应截面也不太小，属于人类跳一跳也有可能够得着的反应，同时还有储量丰富（氘氘）、中子产额较小的优点，属于潜在的备选聚变反应。氢硼聚变（¹H+¹¹B→3⁴He）因为不产生中子、储量还算丰富、100 keV以上反应截面比较可观等优点，也得到了较多关注。

表2 人类可用的几种聚变反应与太阳内部聚变应对比

选定合适的聚变反应以后，实现聚变需要的条件反倒较为单一：只要反应物（原子核）速度足够快（或者说动能足够高），原子核靠得足够近，聚变反应就有可能发生。对于DT聚变来说，只要D或T原子核动能超过10 keV，聚变反应的发生概率就很可观了。因此，要产生聚变反应，需要加速粒子，而加速粒子大家最容易想到的工具是加速器。熟悉加速器的人都知道，10 keV对于加速器来说简直是九十九牛一毛。以前家家户户的显像管电视机（图5^[4]）都可以做到这一点：电视机内的高压包电压通常可达30 kV，可以轻松将D或T原子核加速到30 keV（就像加速显像管内电子枪射出的电子束一样）。确实，1932年Mark Oliphant就是通过加速器实现首次人工聚变反应的。直到如今也有不少爱好者通过类似的方式产生聚变反应，比如图6^[5]的美国高中生。那么，加速器可不可以实现聚变能呢？

图5 康佳显像管电视，具备加速带电粒子至30 keV的能力，2010后应该都没怎么见过了

图6 2012年美国高中生Taylor Wilson做了一个静电聚变装置（Fusor），引来时任美国总统奥巴马参观