本书从能源的基本概念和太阳等恒星中的聚变开始，讲述人造太阳——受控核聚变可以利用的聚变反应及不同反应的比较；从能源系统的功率平衡概念出发，阐明聚变实现能源利用的必备条件；从如何实现聚变条件，讲述几种可能实现受控聚变的主要途径；从物理走向工程，讲述聚变堆和聚变电站面临的物理和工程挑战；最后从聚变能源和聚变研究的特点出发，在社会发展和人类文明进步的高度探讨聚变能源研发的前景。

目 录
第1章 绪论 1
1.1 备受关注的聚变能 1
1.2 何为能源 2
1.3 多种多样的能源 4
思考题 7
第2章 太阳中的聚变 8
2.1 太阳中的能量从何而来 8
2.2 太阳中的聚变反应 10
2.3 太阳聚变的实现条件 13
思考题 13
参考文献 14
第3章 可用的受控聚变反应 15
3.1 聚变反应的一般性讨论 15
3.2 聚变反应截面与反应率系数 16
3.2.1 反应截面与反应率系数 16
3.2.2 主要聚变反应的反应截面 20
3.2.3 主要聚变反应的反应率系数 22
3.3 理想聚变反应 23
3.4 D-T反应——最容易实现的反应 23
3.5 D-D反应——燃料最丰富的反应 24
3.6 D-3He反应——无中子反应 25
3.7 基于质子的无中子反应 26
3.7.1 p-6Li反应 26
3.7.2 p-9Be反应 27
3.7.3 p-11B反应 27
3.8 聚变反应的比较和选择 27
思考题 28
参考文献 29
第4章 从聚变反应到聚变能 30
4.1 热核聚变 30
4.2 聚变功率的产生与损失 32
4.3 零维功率平衡 34
4.4 能量得失相当------劳逊判据 35
4.5 点火条件 37
4.6 能量增益 41
4.7 热稳定性 44
4.8 最低加热功率 47
4.9 小结 49
思考题 50
参考文献 51
第5章 聚变等离子体物理初步 52
5.1 什么是等离子体 52
5.2 等离子体中的单粒子运动 55
5.3 作为流体的等离子体 56
5.4 等离子体中的碰撞和波-粒子共振 57
思考题 60
参考文献 60
第6章 实现受控聚变的约束途径 61
6.1 约束的一般概念 61
6.2 磁约束 62
6.2.1 磁约束聚变原理 62
6.2.2 磁约束位形分类 66
6.2.3 箍缩位形 67
6.2.4 磁镜和最小场 69
6.2.5 仿星器 71
6.2.6 托卡马克 75
6.2.7 球形托卡马克 77
6.2.8 紧凑环 79
6.2.9 悬浮偶极场 80
6.3 惯性约束 81
6.3.1 惯性约束聚变原理 81
6.3.2 激光聚变 83
6.3.3 Z箍缩和离子束聚变 86
6.4 其他奇思妙想或胡思乱想 86
6.4.1 磁惯性聚变 86
6.4.2 静电聚变 89
6.4.3 冷聚变与气泡聚变 90
6.4.4 子聚变 93
6.5 比较与思考 94
思考题 94
参考文献 95
第7章 点火条件下的聚变装置规模 96
7.1 托卡马克装置的基本结构 96
7.2 温度——等离子体加热 97
7.2.1 欧姆加热 97
7.2.2 辅助功率加热 98
7.3 密度——受限制的密度 100
7.3.1 密度极限 101
7.3.2 比压极限 102
7.4 能量约束时间——约束定标与装置尺寸 103
7.4.1 经典输运 104
7.4.2 新经典输运 105
7.4.3 反常输运 108
7.4.4 经验定标律 108
7.5 点火托卡马克的规模与参数估计小结 109
思考题 110
参考文献 111
第8章 从聚变装置到聚变电站 112
8.1 聚变电站设计的主要影响因素 112
8.2 D-T聚变电站的基本结构 114
8.3 等离子体-壁相互作用 116
8.3.1 第一壁 116
8.3.2 偏滤器 117
8.3.3 第一壁材料选择 118
8.4 聚变包层 119
8.4.1 聚变包层的功能与结构 119
8.4.2 混合堆包层 121
8.4.3 包层厚度估算 122
8.5 聚变燃料循环 123
8.6 磁体与稳态运行 124
8.7 辐射屏蔽 126
8.8 挑战性工程技术 127
思考题 128
参考文献 128
第9章 聚变能源与社会 129
9.1 为什么我们需要聚变能 129
9.2 从科学走向工程的聚变研究 130
9.2.1 科学可行性的验证 130
9.2.2 工程可行性的研究 131
9.3 聚变能源的经济性 131
9.4 聚变研究的大科学工程特点 132
9.5 各国聚变研究政策 133
9.6 聚变国际合作 135
9.7 我们的征程是星辰大海 136
附录A 138
A.1 反应截面和反应率数据表 138
A.2 反应截面与反应率系数的拟合式 141
A.3 功率平衡公式整理 142
A.4 磁场计算公式整理 144
A.4.1 曲率 144
A.4.2 磁场力 145
A.4.3 导心漂移 146
A.4.4 缓变磁场 148
A.4.5 磁面 149
A.5 聚变等离子体中的各种时空标长 151
A.6 术语中英文对照 152

前 言

自从知道太阳的能量来自聚变，在地球上建造一个“人造太阳”，实现丰富、高效、清洁、安全的聚变能源利用就成为人类的一个伟大而美丽的梦想。从20世纪50年代到现在的70多年里，聚变能源的开发研究经历了巨大的进展，也遭受了颇多挫折，然而人类不断探索进取，争取早日实现聚变能利用的努力一直在持续， 聚变能也一直被认为是可以改变世界能源格局的突破性技术。 当下，聚变研究进入从物理到工程的关键阶段，国际合作的国际热核聚变实验堆（ITER）计划尽管一再推迟但仍在继续推进，各主要国家也纷纷制定了从实验堆到工程堆再到示范电站的发展路线图。 尤其是近年来高温超导材料和人工智能技术的发展有望快速推动聚变发展的进程，政府外的社会资本也开始纷纷支持聚变研发的开展，聚变研究进入一个发展的新机遇期。
在这样的背景下，不少学校的工程物理或核工程相关专业开始将聚变能源相关课程纳入本科必修或限选课程。作者所在的清华大学工程物理系也是如此，为满足同学们对聚变能源了解的需求，在2018年开设“聚变能源概论”课程，然后从任选到限选再到必修。在授课的过程中，作者从国内外一系列教材和参考书中学到了很多系统的知识，但同时感觉缺乏一本合适的教材用于课程教学。以往的参考书或过于简略科普而缺乏课程知识体系的系统性和科学性，或专注于等离子体物理之具体问题而缺乏对聚变的全貌性介绍。例如, Friedberg的《等离子体物理与聚变能》相对而言对聚变系统的功率平衡介绍比较完整，但其等离子体物理部分过于深入，且缺乏对聚变工程部分的介绍； McCracken等的《宇宙能源------聚变》 则过于科普； F.F. Chen的《等离子体物理导论与受控核聚变》是等离子体物理入门的经典教材，但涉及聚变的系统介绍较少； Roth的《聚变能引论》在物理和工程的安排上较为均衡，但成书较早，内容陈旧。因此，在聚变能源概论课程教学的工作中，作者逐渐萌生了编写一本教材的想法。本书就是从课程讲义出发，经过几轮试用，不断听取各方建议逐渐更新完善，从而形成现在的版本。
本书是一本概论性质的教材，希望读者能由浅入深，从能源角度系统地审视聚变研究中面临的物理、工程甚至社会问题，对这些问题形成初步但准确的了解，以期在大学二、三年级具有的大学物理知识基础下对聚变能源的概况和发展有比较全面、科学、客观的认识，对关于聚变能发展的各种信息有一定的分析和辨识能力，从而满足本方向学生以及对聚变能源感兴趣的普通读者了解聚变的一般需求。因此本书对等离子体物理部分采用了尽量简略的方式，并尽可能从图像出发解释其中的一些概念，对一些知识在直观解释的前提下直接给出结论，对聚变研究则着重于前沿趋势而非具体研究的细节。这些都是为了降低普通读者和一般学生阅读本书的难度。然而，对于有志于继续从事聚变方向研究的同学和科研工作者，则需要针对本书省略的大量物理和工程技术细节，通过更专业的书籍、文献及科学研究进行深入的学习和探索。
在本书的编写过程中，我的助教魏云逍、李自龙、黄子凯、董晨超等对文稿、公式进行了校对，对习题进行了解答，特别是魏云逍协助完成了许多插图的绘制； 在清华大学的课程教学过程中，学生们检查出了许多各种各样的错误，并提出了很多有益的意见和建议，作者在此一并致谢！
不可避免地，由于作者的视野、水平和时间所限，本书的知识、观点及整体结构都有继续改进的空间。在此恳请读者指正，俟后修改。

高喆
2024年8月于清华园