劳森条件

劳森条件是1957年由英国物理学家J.D. Lawson推导出的，表示核聚变反应堆能够自主持续产生能量所需的等离子体参数条件。作为核聚变研究最重要的指标之一，半个多世纪以来一直作为开发进展的指标使用。

基本原理

要使核聚变反应堆成立，等离子体的输入功率（外部加热、阿尔法粒子加热）必须超过损失功率（热传导、制动辐射）。用密度n和约束时间tE的乘积表示这一条件的就是劳森条件。

核聚变增益Q

Q定义为核聚变输出与外部加热功率的比值。Q=1是科学收支平衡（输入功率与核聚变输出相等的条件），Q=10是ITER的目标值，Q无限大就是点火条件（无外部加热反应也能持续的状态）。经济上发电反应堆需要Q在20-30以上。

核聚变三重积

实际上，密度n、温度T、约束时间tE的乘积即三重积nTtE作为等离子体性能的综合性指标使用。点火条件约为3x10^21 m^-3・s・keV。

各因子的物理意义如下：密度决定反应频率，温度决定反应质量（越过库仑势垒的能力），约束时间表示能量保持能力。在DT反应中，温度10-20 keV是最优范围。

历史性达成值

三重积在过去50年中改善了约10个数量级。从1968年苏联T-3托卡马克的约10^18 m^-3・s・keV，到1990年代JT-60U达到约1.5x10^21 m^-3・s・keV，逼近收支平衡条件。JET在1997年记录了Q=0.67。

约束方式的差异

托卡马克是当前最先进的方式，通过装置尺寸扩大和H模式运行来改善约束。仿星器对稳态运行有利但开发滞后。惯性约束需要面密度rhoR在3 g/cm^2以上，NIF在2022年实现了科学收支平衡。

ITER与未来反应堆

ITER的目标是Q=10（核聚变输出500MW）。下一阶段的DEMO要求Q为25-50、稳态运行、300-500MW的净发电。通过高温超导磁铁实现高磁场化的装置紧凑化，SPARC等新方法也在推进中。