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未來的能源:核融合—《寫給未來總統的能源課》

kk0371309有個笑話是這樣的:核融合是未來的能源,而且永遠都是未來 的能源。研究核融合的科學家和工程師痛恨這個笑話,他們覺得一 點也不好笑。

不幸的是,這個笑話是有歷史根據的,而且就建立在該領域的科學家們過於樂觀的預測上。早在1955年,印度籍的核子物理大師 霍米‧巴巴(Homi BhaBha)就曾經在一個國際研討會上說:「我大膽預測,我們在20年內就可以找到控制核融合反應以釋出能量的方法。到時候,就可以永遠解決全世界所面臨的能源問題。」【1】

這個預測已經過了將近60年。 根據目前的預測,核融合發電應該會在20年內實用化。這個預測會成真嗎?我認為會,而且應該就在這個世紀結束前。在我們的 有生之年可能就會看到核融合成為主要的商業發電方式,雖然它的發展太緩慢,無法解決我們在能源安全和全球暖化上的燃眉之急。

為何科學家過去會這麼樂觀?核融合反應是太陽的能量來源, 核融合的支持者喜歡強調這點,因為這讓核融合看起來非常自然。 太陽的燃料是一般的氫,宇宙中含量最多的元素。(這就是為何恆 星可以持續燃燒數十億年。)如果你以原子的數量而非總重量來看 的話,氫也是人體裡含量最多的元素。同樣地,以原子的數量來看,氫也是海洋中含量最豐富的元素。我們有用不完的氫燃料,至少幾百萬年內都不用擔心。【2】

豐富的氫曾經是核融合比起核分裂最大的優點之一,但是後來 人們發現鈾的蘊藏量同樣足以讓我們用上幾百年。而且我們同樣有取之不竭的再生能源,至少只要太陽還在燃燒就不用擔心(目前估計太陽的壽命至少還有50億年)。

核融合的另一個優點是,就放射性而言,比較乾淨。核融合產生具危險性的核廢料非常少。但並不是完全乾淨的能源。最成熟以 及即將用在未來所有大型反應爐的氫核融合反應如下:

氘+氚→氦+中子

在水中就含有大量的氘,但是氚非常稀有。地球海洋中所含的氚只有16磅。核融合反應一開始所需的氚必須裝備在反應爐中,但是之後反應爐中就可以自行「增殖」:讓反應產生的中子轟擊鋰就可以產生氚。

核融合反應所產生的氦既不危險,也沒有放射性,也是氣球裡填充的氣體。但是反應所放射出來的中子,雖然對氚的增殖也很重要,卻會造成問題。中子會被大多數的材料所吸收,而這些材料在 吸收了中子之後多半會變成具有放射性。雖然放射性很微弱,但是「仍然會產生一些放射性」這一點還是會成為反對者攻擊的目標。 這種恐懼部分源自人們無知地相信所有的放射性都是不好的,而且 以為我們可以也應該要將放射性完全從環境中排除。

還有一些核融合反應並不會產生麻煩的中子。其中最有趣的是氫與硼的反應:

氫+硼→3氦+伽瑪射線

伽瑪射線不會產生額外的放射性,只是單純攜帶能量。所以這種反應相對而言似乎比較乾淨,至少對恐懼放射性的人來說。不幸的是,要啟動這種反應的困難度高上許多,需要更高的觸發能量,因此大概不會是第一個實用化的技術。在下一節裡我會談到一間正在開發這種技術的公司,這間公司的名字三阿法能源公司(Tri Alpha Energy)就是從三個氦而來(氦原子核又稱為「阿法粒子」)。 最後,我們對核融合的未來感到樂觀的原因是,人類早在1953 年就已經成功在地球上製造出核融合反應,也就是氫彈。我們要做 的就是找出控制核融合反應的方法,可以用更緩慢而非爆炸的方式 來釋放出能量(雖然有人主張可以把許多氫彈放在地底下,在需要的時候引爆,讓水汽化以驅動渦輪)。科學家提出了許多種控制核融合反應以進行發電的方式。下面我會介紹五種最受矚目而且很適合解說的方法。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。

環磁機

環磁機(tokamak)是前蘇聯在1950年代所發明,原文名稱是「電磁線圈所形成之超環面腔體」(toroidal chamber with magnetic coils)的俄文縮寫。科學家很快就發現環磁機的設計優於其他的方式;過去60年間,環磁機是吸引了最多注意力與最多研究資源的核融合控制技術。

環磁機使用的是極高溫下的核融合反應,也就是所謂的「熱核融合」,與太陽核心以及氫彈內的反應相同。兩個氫原子核碰在 一起時就會發生核融合反應;強大但短距的核力(nuclear force)會 將兩個氫原子核融合在一起並且釋放出能量。問題是兩顆氫原子都 帶正電,因此靠近時會產生非常強的排斥力。在熱核融合裡,高溫 能克服這種排斥力。原子在高溫下會進行高速運動,當速度足以克服排斥力時,核融合反應就會發生。太陽核心的溫度據估計大約是1500萬度。【3】

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ITER的最新型環型機

環磁機內部的核融合反應所需的溫度高達1億度,是太陽核心溫度的7倍!溫度這麼高是因為我們的耐心有限,希望能夠快速產生能量。太陽內部製造能量的速率非常低─即使核心中最熱的部 分也只有0.3瓦/公升。這個值比你的身體釋放出來的能量密度還要低(體重75公斤的成人平均會釋放出75瓦的能量,即1瓦/公升)。 太陽巨大的體積再加上所有的熱最後都會擴散到表面,彌補了低能 量密度。但是環磁機的體積有限,所以必須用更高的溫度,以及更容易反應的燃料(氘和氚,而不是一般的氫)來提高核融合的速 率。這些重氫的原子核裡含有額外的中子;中子不會影響排斥力的 大小(因為不帶電),但是會增加核力,從而提高原子核融合的速率。

在溫度高達數百萬度的環磁機裡,沒有東西能維持固態,那我們要如何讓氫在其中反應呢?答案是使用一個以磁場而非物質所形成的容器。這種方式叫磁場局限(magnetic confinement)。這種「磁容器」應該長成什麼樣子並不是那麼顯而易見,而早先嘗試的結果都太過易漏。雖然環磁機也會滲漏,但是滲漏的速度緩慢,因此我們希望氫能夠在其中停留得夠久以進行熱核反應。

環磁機雖然穩定地取得成功但是進展緩慢。每當密度和溫度 提高時,都會產生新的滲漏問題。但是系統越來越大時,這些問題 便消失了,因為尺寸本身就有助於控制滲漏。最新型的環磁機是國際環磁機實驗反應器(International Tokamak Experimental Reactor,ITER,如圖表III.14)。它原本的名字是國際熱核反應器,但是其中的「核子」嚇壞了很多人)。國際環磁機實驗反應器的目標是產生400秒以上功率500MW的能量,這個能量是環磁機運轉所需能量的10倍。 國際環磁機實驗反應器非常地巨大(60英呎,也就是18公尺高)且昂貴,而且已經嚴重透支最 初預估的成本。它原本估計的 建造成本是50億歐元;到了2009年,這個數字已經上升到100億歐元;一年後更增加到150億歐元。預算追加的幅度比實際的成本還嚇人。如果實驗反應爐這麼昂貴,核融合真的會有競爭力嗎?科學家嘗試刪除一些次要的研究計畫來削減成本,如減少輻射損傷的檢測,但是這種作法令其他的科學家憂心忡忡。他們擔心減少這些檢測,可能會在未來造成更大的問題。如果因輻射而受損的爐壁必須經常更換的話,環磁機的成本大概永遠也降不下來。

根據表定的時程,環磁機將在2019年開始進行熱氣體注入測試,然後在2026年開始進行氫燃料核融合反應,最後在2038年完成計畫目標。到時結果具說服力的話,可能會接著展開商用反應爐的設計。 能源科技經常會遇到一個問題。當這些科技還很遙遠且抽象以取代鈾核分裂,但更加乾淨的能源。但是當一項新技術快要成真時,有時會被重新檢驗並遭到否決。綠色和平組織最近決定反對 國際環磁機實驗反應器,原因是它的造價過於昂貴。綠色和平說, 即使它真的能運作,仍要耗費數十年才能商用化來回應全世界的能源需求(正確無誤)。他們擔心一座無法在未來幾年做出貢獻的機 器,可能無法阻擋全球暖化,因此應該把這些經費花在風力、太陽能以及其他很快就能實用化的再生能源。

(全文未完)

 

註:

  1. 霍米巴巴在聯合國於1955年在日內瓦舉辦的「Atoms for Peace」研討 會的主席致詞時作出了這個預測。演說全文可參考Bhabha and His Magnificent Obsessions, by G. Venkataraman (Hyderabad, India: Universities Press, 1994)
  2. 第一代的核融合發電廠可能會以氘和氚,而不是一般的氫為燃料。氘是重氫,它之所以比較受重視,是因為原子核裡多了一顆中子。雖 然氘的含量只有一般氫的1/6240,但是可以便宜的方式從水中分離得到。氚是更重的氫(多了兩顆中子),而且非常稀少,因為具有放射性,而且半衰期只有12年;海水中的氚總共只有大約16磅。但是讓核融合電廠中所釋放的中子拿來撞擊鋰靶就可以製造出氚。
  3. 提供我們光亮的太陽表面溫度遠低於核心,只有大約6000度。但是它 擁有來自內部炙熱核心的所有能量。太陽表面不會產生核融合反應, 因為溫度太低了。

 

摘自PanSci 2014四月選書《寫給未來總統的能源課》,由漫遊者文化出版。

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