美國能源部科學家於月初宣佈,在核融合技術方面取得了重大突破,人類將有機會在不遠的將來,使用取之不盡的潔淨能源,能源部長Jennifer Granholm也在記者會上表示這是一個劃時代的成果,並可以促使更多的研究與發現。
在台灣其實也可以發現相關的報導,例如2019年媒體大幅報導,清華大學退休教授楊銀圳在一個小小的實驗室裡,就成功做出了可控的核融合實驗,只可惜這個消息後來被證實是假新聞的成分居多 ,更早還有台東大學的學生陳國益,也號稱在實驗室裡弄出了核融合反應 ,但也不了了之。
核融合到底是什麼,這個被譽為「人造太陽」的東西究竟有什麼神奇之處?
核融合技術原理:為何比核分裂更乾淨、風險可控?
其實人類早就掌握了核融合這門技術,在1953年被當成武器做出的「氫彈」,就是首次在地球上進行的核融合反應,只不過反應過程太劇烈,如果想要應用在一般地能源供應,重點是如何準確的控制釋放能量的過程,而非是透過爆炸。
而所謂的核融合(又稱核聚變),與比較常聽到的「核分裂」不同,後者就是大家習以為常又避之不及的核電廠,主要是利用中子撞擊一顆較重的原子(例如鈾元素),重原子就會分裂成兩科較輕的原子,過程中會釋放出能量; 而核融合的原理剛好反過來,是把兩顆較輕的原子(例如氫)對撞後,強迫他們「黏」在一起,過程中一樣會放出能量,且是核分裂的四倍之多。
至於釋放出能量的來源,兩者皆是來自於反應過程中因原子分裂或融合所減少的質量,也就是愛因斯坦著名的質能互換公式:E = mc2。
一點點的質量轉變,所產生的能量是極其巨大的,以核電廠裏面的鈾-235分裂為例,1公克的鈾-235完全發生裂變,減少的質量大約為0.09%,也就是0.9毫克,卻可以釋放810億焦耳(J)的能量。
太多單位名詞太抽象嗎?沒關係,我們換算一下若以平均每公斤的煤標準熱值為7000大卡,1大卡約為4180焦耳,則僅僅1公克的鈾-235就相當於燃燒了2.76公噸的標準煤(可提供22500度電),更別說能量釋放率更大的核融合反應了。
至於要解釋核融合,我們可以先稍稍科普一下大家高中物理化學對微觀世界的記憶:世界萬物是由「原子」構成,它由帶負電的電子,帶正電的質子,以及不帶電的中子所組成,質子與中子在核心,電子則在外圍繞圈圈。而在量子力學的尺度下,除了電磁力之外,原子還會具備一種稱為「核力」的力量(放到巨觀的尺度,姑且比喻為星球之間的萬有引力吧),能夠對物質產生作用。
帶相同電位的粒子彼此是會相斥的,所以要強迫兩顆原子強碰在一起,必需讓「核力」大於相斥的電磁力才行。而最佳的原料,首推自然界與宇宙中存量最多的氫原子,如果我們能用極高的溫度與壓力,讓氫或重氫(氫原子的同位素:氘、氚,但在自然界含量較少)碰撞在一起,原理其實就跟太陽產生能量的原理,就可以有源源不絕的能源,這也是為什麼核融合又被譽為「人造太陽」的說法。
再說了,比起核分裂(現行的核電廠),核融合此用氫來反映後的產物也相對「乾淨」,根據其反應公式:「氘+氚→氦+中子」來看,氦氣本身不具危險,雖說釋放出的中子可能會被其他物質吸收,從而導致該物質具備放射性,但也相對微量,跟鈾-235相比,並不會對人體造成顯著的傷害。再加上,即便氚也有放射性,但半衰期只有12年,即便發生洩漏,感覺也還是風險可控的災難。
與商用化的距離有多遠?穩定控制是最大挑戰
既然這麼棒,為什麼始終尚未全面商用化呢?原因就出在要控制穩定的能量釋放,實在是太困難了。要知道,當年的氫彈試爆,也是先引發了「核分裂」,創造出足夠高溫的環境,從而才讓「核融合」能夠發生,並進一步產生連鎖反應放出巨大破壞性的能量。要控制這股力量以細水長流的方式釋放,目前科學界有幾種主流的做法:分別是環磁機、國家點火設施、離子束融合、緲子融合與冷融合,而最今新聞上美國取得的進展,就是勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)所嘗試使用的國家點火設施(National Ignition Facility)。
關於其他幾種控制核融合的方式,本文就不多贅述,感興趣的朋友推薦一本書,由Richard A. Muller所著的《給未來總統的能源課》,裡面詳盡介紹了環磁機、離子束融合、緲子融合與冷融合等機會與挑戰。至於國家點火設施到底點了什麼火?那並不是真的「火」,而是把把190多束超高能量的雷射光,全部衝向一個頂針頭大小,內含氫同位素的容器中,藉此創造出近1億度的高溫環境,讓原子發生融合反應。
眼尖的讀者可能會發現,聚焦雷射光也是相當耗能的行為,你如果用了N+1的能量投入,卻只產生N的能量輸出,那根本是在搞笑,所以上面美國科學界才會大力宣傳,他們這次的實驗結果,在操作的核融合反應中,產生了3.15百萬焦耳(MJ)的能量,大於其雷射所用能量2.05 MJ,也首次達到了所謂的「能量淨增益」。
不過,這個說法有點偷吃步,他僅計算了使用雷射的「直接耗能」,但沒把驅動雷射裝置與整套系統的耗能算進去,如果以all-in的角度納入全部總體投入的能量,其實高達300多MJ,能量轉換率只有1%左右 ,離大規模商業化還有很大的空間需要努力。
這也是Richard A. Muller在「給未來總統的能源課」一書中,就提過一個笑話:核融合是未來的能源,且永遠都會是未來的能源。當然,每次的實驗都會積累前人的經驗與努力,而隨著各國政府與民家加大投入,例如由35國政府集資約220億美元的「國際熱核實驗反應爐」(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITE)等計畫,我們相信在多個幾次「重大突破」之後,人類有機會掌握核融合技術,用於供應大多數人們所需的電力。
既然巴黎氣候協議定調淨零碳排是永續發展的必要路徑,降低石化燃料與二氧化碳,提升綠能佔比自然是順利成章的事,而現階段的太陽能,風能都有「看天吃飯」的局限性,而免強被歐盟認列為綠能的核能與天然氣,也都有明顯的缺陷,若核融合技術可以成為再生能源的主力,對於潔淨電力的進展絕對是大大加分。
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責任編輯:隋昱嬋、林美欣