伴随着该领域近期取得的各项突破，核聚变正越来越频繁地出现在各类媒体的讨论当中。
但是，什么是核聚变，它与核裂变有何不同？为什么众多私营企业与各国政府都在投入核聚变的研发工作？
在重点介绍真空在实现核聚变方面发挥的作用之前，我们在此回答这些问题。
核裂变的工作原理是什么？
目前，核电站正是利用核裂变反应来产生能量。核裂变是将铀‑235 这类重原子分裂为两个较轻原子的过程，该反应会释放出巨量可利用的能量。
核裂变通过中子轰击铀‑235 来触发。当中子撞击铀‑235 原子时，会促使更多中子释放出来；这些中子继而撞击其他铀‑235 原子，由此形成链式反应。该反应还会产生电磁辐射。为实现产能优化，必须对参与裂变的中子数量加以控制，避免链式反应终止或失控。
使用核裂变发电
裂变反应堆利用反应所产生能量的方式与传统发电厂相同。
裂变发生在反应堆压力容器内部，由控制棒对反应进行调节。反应产生的热量将水加热，生成蒸汽。蒸汽驱动涡轮机运转，进而产出电能。乏燃料具有放射性，部分物质半衰期可超过一万年，因此还需要配套流程对其进行安全处置。多数情况下，反应堆退役成本最高可达初始建设投资的 15%。
制备核裂变燃料时，首先需要进行铀浓缩，将铀矿石中天然占比仅 0.7% 的铀‑235，提升至裂变反应所需的 4%‑5%。该过程需要用到 1000‑2000 级离心机组。具体流程为：铀矿石转化为六氟化铀（UF₆）气体，完成浓缩处理后，再转换为燃料芯块。离心工艺需要在特定的真空参数下进行精密控制。
截至 2026 年 2 月，全球共有 416 台反应堆投入运行，净发电装机容量约 400 吉瓦（电），分布于 31 个国家。这些反应堆发电量约占全球总发电量的 9%。此外，还有 70 座核动力反应堆正在建设当中。铀矿石产自 10 个国家，其能量密度是化石燃料的 70000 倍。核电站建设成本介于 20‑200 亿美元之间，不过开发成本更低的小型堆具备可行性。
核聚变：与核裂变截然相反
轻元素发生的聚变反应为恒星提供能量，并通过核合成过程生成多种元素。
核聚变是一项尚在发展的技术，处于当前科学研究的前沿。由于具备彻底变革能源生产方式的潜力，核聚变成为大量国家级及国际合作项目的研究重点。
核聚变反应中，两个轻原子发生 “聚变”，生成一个质量更大的原子。从这一点来看，核聚变与核裂变正好相反：它并不分裂原子，而是将原子聚合形成更大的原子，同时释放出能量。
核聚变会聚合氘（D）和氚（T）这类氢的同位素。氘也被称为重氢，它和 “普通” 氢同位素氕性质相近，但氘多携带一个中子。与之对比，氚是含有两个额外中子的氢同位素。
理想的聚变反应采用氘与氚按 50:50 配比的混合燃料，反应过程中任一时刻仅需数克燃料。不过，这种理想工况很难实现。
| 核裂变 | 核聚变 |
| 分裂重原子 | 将轻原子聚合在一起 |
| 使用铀 | 以氢同位素作为燃料 |
| 产生长寿命核废料 | 无长寿命核废料 |
| 链式反应 | 无链式反应 — 不存在失控风险 |
为什么实现可用的聚变能源如此困难？
轻原子只有被 “挤压” 在一起足够长的时间，才能发生聚变。核吸引力比静电排斥力更强，但该作用仅在极短距离内生效。基于这些限制条件，核聚变主要的技术难题，就是让原子核足够靠近以发生 “聚变”。这就是为什么需要采用磁约束、惯性约束，或是两者相结合的约束方式。
两种约束方式都需要极高的温度：氘‑氚（DT）聚变需要超过4 x 107 K 。这比太阳核心的温度还要高出 10 倍！
核聚变有哪些不同类型？
人们已经提出许多实现核聚变的不同方案。不过，目前主要在研究两种约束方式。
磁约束核聚变（MCF）
超导磁体在低温下电阻几乎为零，可以产生极强磁场；液氦提供极低温环境，维持磁体超导状态，是托卡马克装置的关键部件。
最常见的磁约束装置是 Tokamak 和 Stellarator，也有部分科研设施开展过磁镜装置的相关实验。这三类装置都设有中央真空室，等离子体被约束于此，聚变反应也在其中发生。真空室外围是低温恒温器，超导磁体就安置在内部并接受冷却。Tokamak 具有环形形状，Stellarator 类似于扭结的丝带，而磁镜装置则为圆柱形态。磁场持续将原子挤压到一起，高温条件实现 “等离子体点火”。
惯性约束核聚变（ICF）
第二种常见的约束类型是惯性约束核聚变（ICF）。这种技术这项技术通过激光或者带电粒子束轰击直径 1‑3 毫米的氘‑氚燃料小靶丸，对燃料混合物进行压缩与加热，直至达到点火状态，以此提取聚变能量。这里所说的点火，指全部 α 粒子被截留住，进而使等离子体升温的状态。
Lawrence Livermore 国家实验室 (LLNL) 构思设计的激光惯性约束聚变‑裂变混合能源（LIFE）反应堆示意图。
压缩和加热过程依靠短脉冲（1‑10 纳秒）的大功率激光、X 射线或者离子束快速完成，这些束流从多个方向轰击燃料。直接驱动装置把压缩能量脉冲直接施加到燃料靶丸上。间接驱动 ICF 技术将燃料靶丸放置在小型金属腔体（黑腔 / 烧蚀腔）内部。激光随后聚焦照射黑腔，将其加热形成等离子体；等离子体辐射出 X 射线，X 射线继而被靶丸吸收。之后靶丸会以与 “直接驱动” 相同的方式被压缩。与直接驱动装置相比，间接驱动方案的效率要低很多。间接驱动技术被应用于核武器模拟。
想要利用 ICF 进行发电，需要将燃料靶丸投入真空反应腔并在腔内完成点火。等离子体产生的辐射以及聚变中子会被液态锂吸收。产生的热量用于常规蒸汽发电，同时生成氚，可以回收作为新的燃料循环使用。
核聚变有哪些优势？
一旦实现自持点火，核聚变就具备仅消耗极少燃料就能产出巨大能量的潜力 —— 一座商业化反应堆每年的燃料消耗量大约仅为 250 千克。
核聚变的主要优势在于：相较于碳氢燃料，它的燃料储量十分充足；不会产生温室气体这类有害副产物；并且和核裂变相比，它具备固有的安全性。
和核裂变相比，核聚变还具备其他优势：
- 虽然聚变反应会释放对人体有危害的中子，但这些中子会被约束屏蔽，并且反应堆一旦关停，中子的产生几乎会立刻停止。
- 核聚变本身安全性更高，因为它不存在链式反应、反应失控或者堆芯熔毁的情况。
- 核聚变会产生极高温度，但如果有等离子体发生泄漏，热量会迅速消散，不会造成危害。
- 中子会带来危害，但很容易被阻挡。
- 尽管核聚变确实会产生放射性废料，但这类放射性的持续时间很短 —— 尤其是和核裂变产生的废料相比。受中子轰击的腔体也属于这类放射性产物。
- 核聚变产生的废料不需要进行运输，以此完成处置、储存或者后处理。
核聚变技术中真空是如何应用的？
磁约束条件下的真空要求
总体而言，真空贯穿应用于磁约束的整个工作循环，包括：
- 将反应容器本身抽至 UHV：用于去除大分子气体，防止等离子体受到污染。
- 低温系统（低温恒温器）: 低温制冷机需要真空环境。
- 氚的生产：氘由中子撞击锂产生，该过程需要真空环境，并且需要泵组对冷却气体进行抽气处理。中子也可以由核裂变反应或者直线加速器产生，这两种装置运行同样需要真空条件。
- 等离子体加热：用于加热等离子体的中性束注入系统需要真空环境。
- 真空测试：设备需要在真空条件下开展测试，会使用出气测试装置以及检漏仪这类工具。
- 真空计、检漏以及仪器仪表：用于监测设备与工艺运行状态，确保达到所需的密封性能。
- 冷却：需要对用于冷却超导体的氦气进行抽气处理。
- 燃料再循环：将未反应的燃料与氦气从腔体中抽出，经过分离处理后重新循环使用。
- 聚变燃料：需要大功率泵将聚变燃料注入腔体。
惯性约束条件下的真空要求
- 将靶室抽至 UHV：用于去除大分子气体组分，防止等离子体受到污染。
- 靶定位系统：用于将激光对准燃料靶丸的系统需要真空环境。
- 束流管线真空：多条管线用于传输激光，这些管线全部都需要处于真空环境。
- 空间滤波器：空间滤波器用于 “净化” 激光束，并且需要在真空环境下工作。
- 真空计、检漏以及仪器仪表：用于监测设备与工艺运行状态，保证装置达到所需的气密性能。
核聚变应用有哪些具体真空要求？
真空泵的一项关键性能要求是具备处理氚的能力。这意味着优先选用金属密封，并且泵内部不能含有氟 / 卤素以及碳氢化合物。
对于磁约束装置，真空泵还必须能够在强磁场环境下工作，因此往往需要采取屏蔽措施。反应腔体周围的空间十分有限，设备停机代价极高，所以真空泵必须占地面积小、可靠性高，并且维护需求低。
核聚变的未来
关于核聚变何时能够实现净能量增益，目前仍存在争议；不过乐观的预估认为该目标有望在 5 年以内实现。
支撑这一乐观观点的事实是：全球多个核聚变项目不断刷新各项纪录，代表装置包括 JET、NIF 以及 EAST。
私人合并行业正在快速发展，到 2026 年的申报投资额为 $13 亿。
ITER（国际热核聚变实验堆）是一座正在建设中的托卡马克型反应堆，也是全球规模最大的多国政府出资的核聚变项目。它的目标是产出的能量达到输入能量的 10 倍。ITER 的目标之一是为 DEMO（示范堆）铺平道路，DEMO 是商用聚变反应堆的原型装置ITER。
在全球 18 个国家，共有约 100 台聚变装置处于运行或者在建状态，其中包含私营资本资助的装置。
目前，还没有任何聚变装置实现净能量增益。但由于聚变燃料的能量密度甚至高于核裂变，大约是化石燃料的 1000 万倍，这项技术有望重塑未来能源生产格局。
真空和核聚变 - 关键要点
- 核聚变需要超高真空（UHV），最大限度减少等离子体污染，并使等离子体能够在中等真空环境下稳定运行。
- 磁约束与惯性约束这两种核聚变技术路线，都需要大型抽真空腔体以及高精度束流管线。
- 聚变真空系统必须在极端工况下可靠工作，包括中子辐照、强磁场以及氚工作环境。
- 坚固耐用、无碳氢的真空技术，是聚变研发走向发电应用道路上的一项关键支撑技术。
常见问题
简单来说，什么是核聚变？
核聚变是两个轻原子核聚合，形成一个较重原子核，并释放大量能量的反应。
核聚变与核裂变有什么区别？
核聚变是原子聚合，而核裂变是原子分裂。核聚变产生的长寿命放射性废料更少，并且不依赖链式反应。
为什么核聚变如此困难？
核聚变需要极高温度（超过 1 亿摄氏度）以及可控约束，以此克服原子核之间的静电斥力。
核聚变会产生放射性废料吗？
核聚变会产生部分放射性物质，主要来源于中子活化；但和裂变相比，这类废料的半衰期更短。
为什么聚变反应堆需要真空技术？
聚变反应堆需要超高真空，用以防止等离子体被污染、保障高精度束流管线工作，同时确保氚与工艺气体的安全处理。
为什么真空在核聚变中很重要？
真空系统对于所有聚变技术路线都至关重要。它们：
- 防止残余气体对聚变等离子体造成污染
- 大型反应堆腔体（>100 m³）内维持超高真空，保障等离子体纯度
- 实现氚的生产与安全处理
- 通过精确压力控制，为束流管线与激光系统提供运行支撑
- 保障燃料再循环与气体分离系统正常工作
专用真空泵还必须耐受聚变装置恶劣环境，包括强磁场、中子以及氚这类放射性气体，因此需要采用金属密封、无碳氢的真空系统。
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