癮科學:核融合


就當這是科幻與現實的番外篇吧!只是好像核融合比較接近現實一點 :p。

現 代的核電廠使用的發電技術,稱為「核分裂」,是利用中子撞擊一顆重原子(通常為鈾或鈽)後,重原子會「分裂」成兩顆輕的原子,並在過程中放出能量。核融合 則是相反的過程,將兩顆輕的原子核對撞後,形成一顆較重的原子,並在過程中放出能量。不論哪一種,能量的來源都是核反應的過程中減少的質量,透過愛老的著 名公式 E=mc² 轉換。

核分裂技術最早在 1940 年代初試驗成功,1954 年蘇聯就有第一個核能發電廠在運轉了。相較之下,核融合(亦稱核聚變)技術大約在 1950 年代初試驗成功,但直到五十多年後的今天,仍然是個近在眼前,卻搆之不及的夢想。核融合技術到底是為什麼這麼吸引人?為什麼經過這麼久的研究還沒有個結 果?


太陽本身就是一個巨大的核融合反應爐

核融合的原理

前面說過了,核融合是將兩顆輕的原子核對撞後,產生出一顆較重的原子(和其他粒子),並在過程中放出能量。這種反應是星球發光發熱的主要能量來源,也是氫彈威力比核分裂彈更大的主因。

原子由帶負電的電子、帶正電的質子和不帶電的中子所組成,質子和中子在原子的中心組成原子核,電子則在外面繞圈圈。正常情況下,同樣帶正電的兩顆質子應該會互相排斥,但在原子核的那種超小的距離尺度下,另一種稱為「核力」的力量會強過電磁力,讓質子和質子(透過中子)可以黏在一起。

要把兩顆原子核撞在一起(電子與核融合反應無關)是非常困難的:兩顆原子核同樣各自帶正電,因此實際上把兩個原子核撞在一起時,也會有一股相斥的電磁力必須要克服,直到兩顆原子核近到核力的影響大於電磁力時,兩顆原子核就會「啵」的黏在一起,核融合就發生了。

核融合的困難

要 如何克服原子核間相斥的電磁力,就是核融合至今還在實驗階段的主因。在太陽內部和氫彈這兩個已知的範例中,都是靠加熱反應的物質到極高的溫度(太陽是因為 內部的高壓和持續的核融合反應,氫彈則是因為先引爆了一顆核分裂彈,使得核融合的環境能達成),使各別的原子核有足夠的動能穿過電磁力的壁壘(稱為庫侖障 壁),靠近到核力可以發揮作用的距離。

在反應爐中產生這種超級高熱,以維持核融合反應的發生,是目前兩種最可行的方法中,看起來比較有希 望的核融合方法。利用甜甜圈型的電磁場,可以將帶正電的原子核(電子因為高熱已經被扯離原子核,形成電漿)封閉在反應爐環狀部份的中心,並且發生反應。這 種反應爐的技術挑戰在於高溫的維持 -- 理論上反應爐「點火」(提供初期的能量,直到核融合反應能發生)後,核融合反應的能量之大,應該要能在維持高溫之餘,還要有額外的能量供給出來。但目前為 止的試驗爐最高輸出能量只能達到輸入能量的 70%,自然無法維持核融合反應。剛開始興建的 ITER 實驗反應爐預計 2018 年完工,綜合了以往各反應爐的經驗,預計將首度達成輸出大於輸入的目標,並且維特點火時間至少 400 秒。最終 ITER 或許可以達成輸出能量為輸入能量的 5~10 倍,並點火 1000 秒,但即使如此,仍不足以商業運轉 -- 要等到再下一代的 DEMO,達成輸出為輸入能量的 25 倍以上,才有可能做為經濟的發電方式被人們利用。

另 一種可行的方式,是利用鐳射來進行核融合,稱為 ICF。燃料會被做成針頭大小的小彈丸,並由四面八方發射鐳射到這個目標上。當鐳射射到燃料丸的表面時,會瞬間引爆燃料丸的外殼,爆炸產生的震波如果能均 勻而且同步的從彈丸的表面傳到彈丸內部,就能壓縮最核心的燃料到能引發核融合反應的程度。核融合反應一旦發生,連鎖反應就能將燃料丸剩餘的部份燃燒一空, 產生大量的能量。一直以來,用這種方式進行核融合都很失敗,因為引爆燃料丸需要多個鐳射束精確的同步點燃燃料丸,但最近在鐳射技術上的發展讓美國對鐳射核 融合的興趣再度大增。即將完工的 NIF 就是第一個有會達成點火的鐳射式核融合反應爐,預計 2009 啟用,2010 年就可以知道這種方式到底有沒有前途了。下一代的系統是歐洲預計 2010 年開始興建的 HiPER,因為使用低能量的鐳射,有可能為商用運轉的 ICF 鋪路。

核融合的燃料


D-T 反應


任何輕原子核理論上都能撞在一塊產生能量,但原子序愈高的元素(即質子愈多),原子核間的排斥力就愈大,引燃的條件也就愈苛刻,所以大部份的研究都放在最輕的幾種元素上。最有前途的燃料組合有三種,分別稱為 D-T、D-D 和 p-11B 反應。

D-T -> 4He + n

D-T 反應的燃料,是氫的同位素氘(一顆質子一顆中子)和氚(一顆質子兩顆中子),反應之後會產生氦、一顆中子和能量。D-T 反應是目前所有核融合反應中最有前途的一個,因為它的反應溫度最低,比較容易達成。兩種原料中,氘是一種穩定存在於自然的物質,海裡就有一大堆,但氚因為 是放射性同位素,半衰期只有 12.32 年,因此自然中含量極其稀少,必需要靠鋰的核滋生反應來取得。這使得 D-T 反應仍然會受到鋰來源的限制,但估計燃料來源至少可以撐個 5000 年沒問題。D-T 反應還有一些安全上的問題,等一下會再另外說明。

D-D -> T + p
->3He + n

D-D 反應是拿氘和氘反應,因此燃料來源可以說是無窮無盡的。D-D 反應有兩種不同的反應式,一共會產生氚、氦-3(少一個中子的氦同位素)、質子和中子,當中氚還可以再和氘進行 D-T 反應。可惜和 D-T 反應相比,D-D 反應需要 D-T 反應 30 倍的能量密封性(因為反應所需的溫度高很多),而且產生的能量也比 D-T 反應少 68 倍。

p-11B -> 3 4He

p-11B 反應是拿質子去撞硼最常見的同位素硼-11,產生三個氦原子核。這種反應的特色是沒有中子的產生,但反應所需的溫度約是氫同位素反應的十倍,產生的能量卻只有氫同位素的 1/2500,因此之前提過的兩種核融合反應方式,都不再適用。

核融合的危險

常 有人說核融合是安全、乾淨的能源,其實並不儘然。核融合反應爐確實不可能發生像核分裂反應爐那樣的大規模融爐和輻射外洩事件,因為發生核融合的條件實在太 苛刻了。以磁場限制型核融合反應爐來說,只有磁場稍有不穩定,反應爐內的燃料就會立即喪失反應能力,反應爐也會立即熄火。可以說目前開發核融合發電的所有 困難點,正是未來核融合爐使用時的保障。

但另一方面,使用的原料是不是安全,又是另一個問題了。氚之前說過了,是一种放射性物質,如果外洩到了大氣中,一樣會有幅射汙染的危險。但還好的是,氚的半衰期只有 12 年,和核分裂原料動軋數百萬年的半衰期相比,對環境來說是安全很多。

此外,核融合產生的中子因為不帶電荷,因此不能被留在電場中。這些高能的中子會撞擊反應爐周邊的材料,久而久之,有一定的機會將周圍的的材料轉變成輻射廢棄物(這就是為什麼 p-11B 反應也在研究之列的原因)。目前有不少和反應爐同步進行的研究,是在於採用什麼樣的材料能減少輻射廢棄物的產生,不過往好處想,再慘也不會比現有的核分裂反應爐慘啦 XD。

結語


懷念的核融合發電廠...


小薑還記得模擬城市裡,核融合反應爐是在 2050 開始可以興建的。在真實世界中,要能讓核融合從 2050 年起為人類服務,是很拼的 -- 如果一切順利,經費沒有短缺、ITER 興建沒有延誤、ITER 實驗順利、DEMO 準時開工...或許 2050 年時可以讓 DEMO 運轉。但核融合技術的開發花去的資源遠超過之前的任何一個科學計畫,包括大型離子撞擊器(據估計以目前原料上漲的趨勢,ITER 的造價會超過 LHC),但相較於「為了科學的進步!」這樣空洞的口號,顯然「為了無窮無盡的便宜能源!」更能吸引研究經費,所以小薑並不懷疑人類終究會有以核融合為 主,風力、太陽能為輔的一天的到來。

只是不知道我看不看得到那天而已...

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