終極能源核融合

文/施奇廷(東海大學應用物理學系教授) 圖/柯欽耀 (2020/11/7)

目前各種能源的背後都有潛在的隱憂。

太陽像是能源典範

 我們每天讓交通工具行動、電器和機械運作的能源從哪裡來呢?不外是石化燃料(如石油、天然氣、煤炭等)、核分裂反應爐,以及再生能源,不過這些能源都有各自的問題。

 比如石化燃料會造成空氣汙染、產生溫室氣體導致氣候變遷;核分裂反應爐有核廢料與輻射汙染的風險;太陽能、風能等再生能源起步較晚,除了成本偏高之外,由於「靠天吃飯」,供給的穩定性較差。石化燃料和核分裂,更有「地球上原料有限」的問題。

 那到底存不存在乾淨、無汙染、供應穩定,而且能「吃到飽」能源呢?理論上是有的,而且抬頭就看得到──太陽。

 太陽的主要成分是氫,核心溫度超過一千萬度,在這種高溫下,氫的原子核會發生「核融合」反應,而變成氦原子。

 核融合反應的過程會放出非常巨大的能量,於是科學家想:能不能模仿太陽來解決能源問題?

ITER內部有個甜甜圈狀的環形空間,可以用電磁場拘束高溫電漿。圖/wiki。

 
核融合高溫成阻礙

 科學家從一九五○年代開始,研究像太陽那樣以核融合反應來發電的可能。數十年來雖然有不少進展,離實用化還是有一段距離。

 主要的困難在於,要讓核融合反應發生,需要將「氘」元素與「氚」元素加熱至上億度高溫,進入「電漿」狀態,才能強迫帶正電的原子核克服「同性相斥」的靜電排斥力,彼此融合成氦原子核,並釋放出能量。

 太陽待在宇宙中不成問題,但地球上沒有任何材料可以承受這一團超高溫的氘與氚的電漿,必須要靠磁場把它拘束、懸浮在反應爐裡面,才不會直接接觸到反應爐內壁,把整個反應爐融化掉。

 

奧斯華特以年僅十二歲之姿,成為全世界最年輕做出核融合實驗的人。

 
在家核融合能量小

 目前建造中的「全世界最大人工太陽」,是位於法國南部,由三十五個國家合作、耗資兩百億歐元的「國際熱核融合實驗反應爐」(ITER),規畫於二○三五年開始氘氚核融合實驗。看來核融合要實用化解決人類的能源問題還有一段長路要走。

 不過,要做核融合實驗,倒也沒有想像中困難。今年十月六日,「金氏世界紀錄」認證了美國的傑克森.奧斯華特為「全世界最年輕完成核融合實驗的人」。

 奧斯華特十二歲時,利用一種叫「融合器」(Fusor)的小型裝置,以電場加速氘的電漿,並將之拘束在容器的中心,就有機會發生核融合反應。

 既然小朋友能用這麼簡單的儀器做出核融合反應,科學家為什麼還要花大錢去蓋大型反應爐呢?原因是──要拿來當作能源,除了前面說的「穩定可控」外,還要讓能量「輸出大於輸入」。

 融合器能產生的核融合反應數量極少,因此得到的能量,比操作它耗掉的電能少很多,在「花一塊得五毛」的情況下,無法拿來供應能源。

 但是,十二歲的少年能完成這個實驗還是很厲害,我們也鼓勵年輕朋友像奧斯華特一樣,能有追求新知並實際動手做的精神!