一、聚变能量增益因子
聚变能量增益因子，通常用符号𝑄表示，是衡量核聚变反应能量效率的一个关键参数。它定义为聚变反应产生的能量与维持聚变反应所必需的输入能量之比。当𝑄=1时，表示聚变反应产生的能量等于输入的能量，这是一个基本的盈亏平衡点。科学家们追求的是𝑄>1，意味着聚变反应产生的能量超过了输入能量，从而实现能量的净增益。
聚变能量增益因子是评估聚变装置性能的重要指标，它直接关联到聚变反应的经济可行性和作为能源生产的潜力。实现能量增益是聚变研究的主要目标之一，因为这将是开发清洁、可持续聚变能源的关键步骤。
核聚变作为一种强大的能量来源，其原理是轻原子核在极高温度和压力条件下融合，释放出巨大的能量。在核聚变反应中，部分能量能够被燃料内部吸收，实现自我加热。然而，并非所有能量都能被捕获利用，许多核聚变反应会释放出等离子体无法捕获的能量形式。当核聚变反应的能量增益因子Q达到1时，如果没有外部加热，系统将开始冷却。为了实现与外部加热源相匹配的自我加热能力，核聚变反应堆通常需要Q值达到5左右。
随着时间的推移，核聚变技术发展出了一系列专业术语。在核聚变过程中未能直接捕获的能量，可以通过外部系统被捕获并转化为电能。这种电能随后可用于将等离子体加热至工作温度。当系统能够通过这种方式实现自给自足时，我们称它达到了工程上的盈亏平衡。如果系统运行效率足够高，不仅能自给自足，还能产生并出售额外的电能，这被称为达到了经济上的盈亏平衡。
二、历史
1955年，约翰·劳森（John Lawson）首次详细探讨了能量平衡机制，这一点最初是在保密的著作中提出的，后来在1957年通过一篇著名的论文才向公众发表。在这篇论文中，他不仅考虑了早期研究人员的工作，还特别完善了汉斯·瑟林（Hans Thirring）、彼得·托内曼（Peter Thonemann）和理查德·波斯特（Richard Post）等人的研究成果，他们曾就相关主题发表过评论文章。基于这些研究成果，劳森在其论文中详尽地预测了因不同机制而损失的能量，并将其与维持聚变反应所需的能量进行了对比分析。这种能量平衡的判断标准，现在被广泛称为劳森判据。
在成功的聚变反应堆设计中，聚变反应产生的功率称为Pfus。其中一部分损失的能量记作Ploss。为了维持反应的持续进行，系统必须提供额外的加热来补偿这些能量损失，满足条件 Ploss=Pheat 以保持热平衡。
盈亏平衡的最基本定义是当 Q = 1 时，即 Pfus = Pheat。
三、项目示例
目前，大多数聚变反应堆的设计都是基于氘-氚（D-T）反应，因为这种反应是目前最容易点燃且能量密度最高的。该反应主要通过单个高能中子的形式释放出大部分能量，仅有20%的能量以α粒子的形式释放。因此，对于D-T反应，能量保留因子 𝑓chfch 等于0.2。这意味着在至少 𝑄=5 之前，自加热的能量不会等于外部加热的能量。
ITER
在国际热核聚变实验反应堆（ITER）中，如果反应堆产生500兆瓦的聚变能量，并且提供50兆瓦的电源，那么其中20%的能量用于自加热，意味着有400兆瓦的能量会逸散。假设热效率和电效率保持不变，ITER理论上可以产生高达112兆瓦的电力。这意味着ITER在工程上可以实现盈亏平衡。然而，由于ITER（国际热核聚变实验反应堆）并未配备电力提取系统，因此在DEMO等后续实验装置投入使用之前，这些预测仍然仅停留在理论层面。
NIF
惯性约束聚变（ICF）是一种通过物理压缩增加燃料密度来促进聚变反应的技术。尽管ICF装置在传统Q值定义下效率极低，主要因为激光驱动器的低效率，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）提出了一种新的Q值定义，将聚变产生的功率与激光输入功率直接比较，从而得到更高的Q值。国家点火设施（NIF）作为ICF研究的重要平台，经历了多次实验，包括2013年有争议的科学盈亏平衡声明，2021年Q值达到0.7的实验，直至2022年12月，NIF宣布实现了超过Q ≥ 1的里程碑，这标志着聚变能源研究的一个重大突破。
参考链接：
- https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_21212117
- https://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_energy_gain_factor
- https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_21161049