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【專欄】專家堅信最快 2030 年就能實現核融合發電

2019-10-17 16:26
英國核聚變反應堆內的科學家。圖/Monty Rakusen/Getty
英國核聚變反應堆內的科學家。圖/Monty Rakusen/Getty

使用核融合技術為人類提供便宜又潔淨的電力,一直是科學家的夢想。過去,專家大多推測約「50 年後」才有機會實現核融合發電。不過最近,核能物理學家變得越來越有信心,有專家甚至認為最快 2030 年就能實現核融合發電。

核融合原理與優點

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,這種反應就等於是一個星球發光發熱的原理。

原子是由電子、質子和中子所組成的,電子圍繞在原子核外,則質子和中子在原子核內。同樣的兩顆質子會互相排斥,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,它的強過電磁力,會讓質子和質子(透過中子)可以黏在一起。

要進行核融合反應,首先就必須提高物質的溫度,使原子核和電子分開,處於這種狀態的物質稱為「電漿」(plasma)。顧名思義,核力是一種非常強大的力量,當質子和中子互相接近,核力就會發揮作用,因而發生核融合反應。

但由於原子核帶正電,彼此間會互相排斥,所以很難使其彼此互相接近。若要克服其相斥的力量,就必須適當地控制電漿的溫度、密度和封閉時間﹝維持時間﹞,此三項條件缺一不可。由於提高物質的溫度可以使原子核劇烈轉動,因此溫度升高,密度變大,封閉的時間越長,彼此接近的機會越大。

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-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-D: 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;

p-11B: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。

核融合有許多潛在的吸引力。目前,它的燃料氫的同位素是相對豐富的,必要的同位素燃料之一:氘,可從海水中提取,而另一種同位素燃料:氚,也可能會被使用在核融合反應本身,產生的中子來生成。相對於傳統的核反應爐所產生的污染物,它的其他放射性廢料產物的壽命很短。燃料中的氘是穩定同位素、可以由海水獲得,氚的半衰期短、可以用中子撞擊鋰-6來獲得,氦-3是清潔核燃料。

核融合反應當以極強大的力量,將氫原子撞在一起時,只要電漿能在足夠長時間下維持高溫,就可以觸發大量核融合反應,並形成加成效果,也就是不斷釋放的能量,會讓電漿持續維持高溫,促使反應持續進行,同時也會將能量轉化成電力使用。

由於電漿很快就會飛散開來,所以必須先將其封閉。用來使電漿封閉的方法有許多種,太陽內部是利用巨大重力使電漿封閉,而在地球上則必須採取別的方法,磁場的利用便是其中一種。當電漿帶電時,電荷被捲在磁力線上,因此只要製造出磁場,就能夠將電漿封閉,使它們懸浮在真空中。

核融合除了能夠提供大量乾淨的電力之外,也不會製造溫室氣體或空氣汙染;不像太陽能或風力發電,它可以持續不斷運作;不像今日的核能廠,其所產生的廢物,能夠輕易被處理。而且核融合燃料是無窮無盡的,其中一個需要的原料就是大量的水,而只要一小克的氫燃料,就足以提供 10 噸煤所能提供的能量。

相較於核分裂發電,核融合產生的核廢料半衰期極短(低管理成本、核洩漏時總危害較低、最多只有一公里內需要撤退)、安全性也更高(不維持對核的約束便會停止反應)。如氘和氚之核融合反應,其原料可直接取自海水,來源幾乎取之不盡,因而是比較理想的能源取得方式。

因此絕大多數的反核能發電社會運動,都不反對核融合發電。

之前面臨的難題

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,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。所以,MIT已以前所設計的D型環狀的托卡馬克(tokamak,又稱環磁機)裝置是最有希望達成的受控融合設計。

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」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。

為了建造能長時間持續的反應爐,位於法國由 35 個國家協力合作的國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)正處於研究當中。然而,為了達到足以發電的程度,ITER 採行的方法為建造一個約 60 座足球場大小的反應爐,經濟上並不可行。

但為了讓核融合反應爐變小且成本降低,有些科學家認為要捨棄原本的托卡馬克及其環狀線圈磁場,並重新設計反應爐,例如以雷射來撞擊電漿,或使用類似粒子加速器的儀器來壓縮電漿或使用共振磁場擾動,成功抑制核融合反應爐中的不穩定電漿。

當然,需要解決的問題還不只這些。例如,電漿產生的中性粒子:中子(neutron),在長時間之下會不斷撞擊托卡馬克的內壁,改變內壁的原子結構,進而造成其衰退,這對必須長久運作的電廠不是一個好消息。不斷撞擊的中子也會讓金屬產生輻射性。懷特教授正致力於找出或改進原本的解決方法。它將直接包圍等離子體與液態金屬,被泵掉,以轉換其熱量到電。這種液體中也會有鋰來繁殖。

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。

創新的技術

不過,已經專研核融合領域多年的麻省理工學院(MIT)核子科學與工程學系教授丹尼斯·懷特(Dennis Whyte)認為,應該要重新設計托卡馬克,使其模組化並更便宜,同時引進嶄新的材料來誘發並限住核融合反應。

要如何避免托卡馬克過於龐大又不過度昂貴呢?懷特教授的團隊也發現,當他們把超導膠帶纏繞於托卡馬克的銅線圈上時,能夠加倍他們施加於電漿上的磁場強度,減少電漿外洩及過度冷卻的情形。最好的是,以這種膠帶取代一般硬性的超導體能讓反應爐大小縮小到原本的 10 倍。若將這種半導膠帶以具有連接點形式分段使用,則反應爐上的磁鐵,可以在需要維修或更新時,輕易且快速的附著與取下,如此當裝置上某個零件損壞時,就不必整個替換。

樂觀的未來

核融合的許多挑戰除了來自逐漸增加的工程難題,另一方面就是財務面。幸好,越來越多億萬富翁投入大筆資金加入核融合發展競賽。例如,懷特教授團隊的合作夥伴,( Commonwealth Fusion Systems,CFS),就獲得義大利石油製造商的投資,並從比爾·蓋茲(Bill Gates)、傑夫·貝佐斯(Jeff Bezos)等企業巨擘資助的基金會獲得至少 7500 萬美元(約台幣 23.2 億)的資金援助。聯邦融合系統預計在 2025 年展示核融合的成果。

目前至少有 10 間新創公司正試圖研發核融合的新方法。General Fusion,該公司希望能在 2022 年發展出反應爐的原型,並開始測試;英國公司「托卡馬克能源」(Tokamak Energy)也希望能在 2030 年啟用核融合電力。

這些新創公司都表示核融合不再只是科學實驗,而是已進入工程階段的產品。General Fusion 執行長克里斯多夫·莫瑞(Christofer Mowry)就樂觀表示:「我百分之百堅信核融合技術將發生。我們有可能在 2030 年前建造出商用核融合發電廠嗎?或許有可能,但絕對不會是 50 年之後。」


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