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恆星啟發的能源之理-《知識大圖解》

驚人的新電力來源,可以取代化石燃料,且對地球更友善。請點擊觀看大圖。

目前,我們地球上大部分的電力來自煤炭、石油和天然氣。這些所謂的化石燃料是生活在數百萬年前的生物遺體所形成的。燃燒化石燃料會釋放出熱能,可轉化為電能。然而,這過程也對環境非常有害,因為燃燒化石燃料會放出大量二氧化碳,導致全球暖化。

當太陽的能量照射到地球,約70%為陸地和海洋吸收,而30%反射回太空。然而,地球吸收的這70%,最終還是以紅外線能量的形式輻射回到大氣中。溫室氣體會吸收這些能量,也會在這過程中放出熱量,加熱地球表面和低層大氣。這個過程是自然發生的,讓地球能夠保溫,使生物能存活。但工業革命以來,溫室氣體的排放量顯著增加,造成地球表面平均溫度大幅上升。這使世界上的冰川和冰棚融化更快,結果導致海平面上升、沿海低窪地區發生水災。全球氣溫上升後,會產生激烈與具破壞性的熱帶風暴和颶風,而且會在世界的某些地方引發嚴重的乾旱。

就算不考慮燃燒化石所產生的這種破壞性力量,尋找替代能源仍很重要。嚴格來說,化石燃料來自活有機體,屬於再生能源。但事實上我們耗用該燃料的速率遠比其形成的速率快很多,意味著這些燃料終將耗盡。

某些再生能源如太陽能、風能和水力發電等都已在使用,但他們各自有其問題,使其無法完全取代化石燃料。然而,只要我們持續發掘新的能源取用方式,地球或許很快就能成為一個綠色、自我提供動力的機器。

核融合發電的崛起

諸如太陽等恆星透過核融合產生極大的能量。當氫原子暴露在恆星核心的極高溫和極高壓中,會被剝奪電子,而暴露其原子核。這碗裝了原子核和電子的湯稱為電漿,也就是物質的第四態。當電漿被加熱,氫原子核迅速移動、碰撞,並融合在一起產生氦和大量的能量。

由於這種過程既乾淨又有效率,科學家已開發出在地球上複製核融合反應的方法,希望可消除對化石燃料的需求。為了達到此目的,科學家建造出巨大的核融合反應爐,使用磁場產生攝氏1.5億度的高溫,比太陽的核心熱十倍,並在名為托克馬克(tokamak)的環形腔中控制電漿。反應爐中使用的燃料是從水萃取的氫同位素氘,以及從地殼中的鋰生產的氫同位素氚。這兩種原料目前的供應量可持續數百萬年,而只要一公斤原料,就可提供相當於一萬噸化石燃料的能量。核融合反應的主要副產物是少量氦,不會污染大氣。

雖然創造核融合發電的技術已經到位,但目前的核融合反應爐消耗的能量比產生的更多。現在的挑戰是建造一個反應爐,大到足以成為可運作的發電廠,而在法國的國際熱核實驗反應爐(ITER)計畫就是第一步。

 

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第11期(2015年8月號)

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