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科學家觀察到類土星環系統的天體掩蔽遠方恆星的現象

臺北天文館_96
・2012/01/20 ・1731字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

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來自美國羅徹斯特大學(University of Rochester)和歐洲的天文物理學家Eric Mamajek等人,在半人馬座方向發現一個與土星環類的有趣環系統。Mamajek等人認為很可能觀察到一個外觀與土星及土星環系統類似、正在形成衛星系統的系外行星。

Mamajek等人分析跨國的SuperWASP(Wide Angle Search for Planets)計畫和全天自動巡天(All Sky Automated Survey,ASAS)計畫的觀測資料,研究天蝎-半人馬星協(Scorpius-Centaurus association)中的年輕類太陽恆星的光變曲線(light curve),也就是天體亮度隨時間的變化。天蝎-半人馬星協是離太陽最近、近期已有大質量恆星形成的地區。不過,他們找尋的並非恆星本身的亮度變化,而是被恆星到地球之間任何其他天體遮蔽的可能性。

天文學家曾在2007年初觀測到一個編號為1SWASP J140747.93-394542.6的年輕恆星有為期54天的亮度劇烈變化現象;2010年12月,羅徹斯特大學研究生Mark Pecaut和Mamajek發現這應是個不尋常的掩食現象。經由電腦模擬與實際觀測結果比對之下,Pecaut等人排除這個亮度變化現象是由球形恆星或拱星盤掩蔽的可能性,認為由較小的伴星周圍類似土星光環的塵埃環系統造成的。這個編號為1SWASP J140747.93-394542.6的恆星,質量與太陽類似,但比較年輕,約僅1600萬年(相當於太陽系現在年齡的1/300),距離約420光年遠。

根據他們的研究,如果僅由球形天體通過這顆恆星前鋒,則亮度應會逐漸減暗,達到低點後再逐漸回升。1SWASP J140747.93-394542.6的光變曲線卻沒這麼規矩,而是很長、很深且複雜的掩食現象,掩食過程中,增亮與減暗數度交替出現。在最暗的一段時間,亮度至少比被遮蔽前少了95%。

這個光變曲線的型態與已被研讀過的仙王座EE星(EE Cephei)類似,顯示這個恆星應有質量不大的伴星。然而,它和仙王座EE星的光變曲線又有點不一樣,仙王EE是一顆大質量熾熱恆星,被伴星周圍濃厚的原行星盤遮蔽的結果,可是,其光變曲線中不似1SWASP J140747.93-394542.6的那樣,在被遮蔽過程中還有些微起伏。因此,Mamajek等人大膽假設1SWASP J140747.93-394542.6的塵埃盤不像仙王座EE的伴星那樣是濃厚而連續的樣子,而是像土星環那樣由許多不連續塵埃碎屑細環所組成的。

如果Mamajek等人的猜想為真,那麼這將是天文學家在太陽系以外,首度偵測到光環系統掩食類太陽恆星的現象,同時也是首度在極低質量天體(very low-mass object)周圍偵測到不連續的細薄塵埃環。不過,雖然看似解決了光變曲線起伏的問題,其他問題卻隨之而起:究竟這顆極低質量天體是個棕矮星還是行星?答案的關鍵,在其質量大小。

棕矮星質量一般在13~75倍木星質量之間,因質量不足以點燃或持續進行核融合反應,故無法成為一顆正式的恆星。若質量低於13倍木星質量,一般將認定是顆行星,所以它的型態和光學深度(optical depth,簡稱光深)可與土星環系統相比。

為了確認這個疑問,Mamajek等人計畫利用位在南半球的大型望遠鏡測量這顆恆星的徑向速度變化,也就是它受到伴星的重力拉扯的影響使其位置稍微移動的結果,另外設法利用遮罩法嘗試直接讓伴星的影像顯現出來,藉由這些觀測資料來估計伴星質量,或許能解決它究竟為棕矮星還是行星的本質問題。

除了天體本身的問題外,伴星塵埃環中有2個明顯的環縫(gap)。環縫的出現,通常意味著環縫中有個質量夠大的天體,其重力足以引起讓光環邊緣變得比較平整的「重力塑形(gravitational sculpting)」效應,如同土星環中的牧羊犬衛星一樣。不論是棕矮星還是行星,對Mamajek等人都一樣很有吸引力,因為他們認為:如果這顆伴星是恆星或棕矮星,那麼他們的團隊可能是觀測到恆星周圍的行星形成後期階段;若這顆伴星是類似土星的巨行星的話,那麼則可能是觀測到行星周圍的衛星形成的過程。

假若這個塵埃環的光深隨質量變化的方式的確如Mamajek團隊認為的與土星環類似,那麼這個塵埃環的總質量將與月球差不多。最外側的環距離中間的天體約數千萬公里遠,所以光環的總質量和大小都比土星環大一些。根據觀測結果,這個塵埃環至少含有4個不連續的環,分別被命名為「羅徹斯特(Rochester)」、「薩熱蘭(Sutherland)」、「坎帕納斯(Campanas)」和「托洛洛(Tololo)」,這些名稱的來源,是首度觀測到1SWASP J140747.93-394542.6系統掩食現象以後續觀測用以分析的天文臺名稱。

由於到目前為止,這類事件仍相當罕見,Mamajek等人希望未來能從新的巡天計畫觀測資料中找到更多年輕恆星被正在形成衛星的行星環或正在形成行星的恆星拱星環掩蔽的事件,藉此認識巨行星的衛星系統形成的早期演化階段的狀況。

資料來源:Scientists Discover a Saturn-like Ring System Eclipsing a Sun-like Star[2012.01.11]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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哈伯也懂漂移?3D-DASH:哈伯太空望遠鏡最大的近紅外巡天計畫
Tiger Hsiao_96
・2022/07/10 ・2933字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

若問當前軌道上最強的可見光太空望遠鏡是誰,那當然非哈伯太空望遠鏡莫屬。身處太空的它有著直徑 2.4 公尺的主鏡,可以在不受大氣層干擾的情況下,清晰地拍攝遙遠且黯淡的天體。然而,哈伯望遠鏡並非全能,雖然它在解析度(angular resolution)和靈敏度(sensitivity)上都無人能及,但也有不擅長的領域 ── 它的視野相當小。

哈伯太空望遠鏡。圖/NASA

即使是哈伯裝備的所有相機中視野最大的「先進巡天相機(ACS)」,其視野也只有 202 角秒 x 202 角秒而已,相當於滿月的 1.5%,或是一個十元硬幣在約 25 公尺外的大小。可以想見,想要用這麼小的視野拍攝廣大的區域,是相當緩慢而沒有效率的事。

直到最近幾年,天文學家發明了稱作「Drift And SHift (DASH)」的新型觀測模式,可以在不改變哈伯硬體設備的前提下,大大增加哈伯在近紅外線波段的拍攝效率。利用這項技術,來自多倫多大學的團隊展開名為 3D-DASH 的大型紅外線巡天計畫,其拍攝的天空範圍,是前一個紀錄保持人「CANDELS」的七倍之多。

不斷選擇「引導星」的傳統觀測模式

想了解為什麼 DASH 技術可以大大提升哈伯的觀測效率,就要先從哈伯原本是怎麼觀測的開始談起。

不知道大家有沒有在黑夜中拍照的經驗呢?在低亮度的環境中,相機總需要比較長的時間進行曝光,才能拍出清楚的照片。而如果你在曝光的過程中不小心移動了相機,那拍出來的照片就會糊成一團。同理,由於天文學家想要拍攝的目標,大多是極其遙遠且黯淡的天體,所以天文觀測時單張照片的曝光時間,往往動輒數百秒以上。因此,專業天文望遠鏡常會配備「導星(Guiding)」系統,以確保望遠鏡能在數百秒的時間內,都精準的指向同一個位置。

導星的原理很簡單,就是在望遠鏡和相機觀測的同時,同時用另一套相機監測視野中星星的位置。一旦發現畫面中恆星的位置有任何小小的移動,導星系統就會命令望遠鏡調整指向(pointing),即時把誤差修正回來。在哈伯望遠鏡上,這個負責導星的相機叫作「精細導星感測器(FGS)」。而這個用來幫望遠鏡「導航」的星星,就被稱為「引導星(guide star)」。

哈伯在進行拍攝時,需要找一顆導星來隨時校正方向。圖/GIPHY

一般來說,在哈伯望遠鏡每指向一個新的目標,都需要先花費一段約十分鐘的時間選擇引導星,然後才能進行科學拍攝。然而,由於哈伯的軌道週期僅有 97 分鐘左右,因此在一次軌道中,哈伯基本上只能拍攝一或兩個固定的天區,不然就會有大量的觀測時間被浪費在尋找引導星的過程中。如此一來,天文學家若想透過哈伯來拍攝 800 個不同指向,就需要花費 800 次的軌道繞行時間才能結束這項任務。

花費很多時間有什麼問題呢?哈伯望遠鏡的觀測,是由美國「太空望遠鏡科學研究所(STScI)」向全世界天文學家公開徵求觀測企劃之後,再從中挑選出最具科學效益的企劃後實施。一個耗時 800 個軌道週期的觀測,很難在競爭激烈的觀測計劃書中脫穎而出。

但如果,天文學家真的很需要用哈伯進行大面積的巡天,該怎麼辦呢?

提升效率的新方法

如前述,一般來說哈伯每指向一個新目標,都需要花費十分鐘來進行捕捉引導星。但換個角度想,如果把導星功能關掉,不就可以省下這些時間了嗎?

計画通り!圖/GIPHY

還真是沒錯,哈伯的設計的確是可以關掉導星系統,利用其中的陀螺儀來進行控制。但陀螺儀的能提供的穩定性終究不如導星系統,一旦曝光時間過長,望遠鏡的微小移動還是會造成最後曝光出來的星星像塗抹花生醬一樣糊成一片,這樣的影像是很難用於科學分析的。

開導星耗時間,不開導星又沒辦法長曝,該怎麼辦呢?

這時就輪到「Drift And SHift(DASH)」技術出場了!DASH 的核心概念很簡單:

  • 為了省時,我們就關掉導星。
  • 關導星不能長曝,那我們就拍很多短曝光時間的照片,降低每張照片的模糊程度,再把它們對齊之後疊起來。

以 3D-DASH 計劃來說,關掉導星會讓哈伯的指向以每秒 0.001 至 0.002 角秒的速度緩緩飄移。因此天文學家將每張照片的曝光時間壓縮到 25 秒以下,讓星點在畫面中的移動不超過一個像素(WFC-3 的像素大小為 0.129 角秒)。利用這樣的技術,天文學家就能在哈伯的一次軌道週期中,拍攝八個不同的指向,把觀測效率提升了八倍!

3D-DASH 的觀測天區和其他觀測計畫天區大小、深度(最暗可拍到的天體星等)的比對圖。圖/arxiv

拍這些照片有什麼用?3D-DASH 的科學意義

3D-DASH 計畫的觀測資料最近已於網路上公開,不過這龐大的資料量,觀測團隊以及其他科學家們還需要更多時間進行分析。不過,在公布這個計劃的論文中,團隊已經提出了一些值得分析的科學問題。

舉例來說,天文學家認為如今多數的橢圓星系(elliptical galaxy)們,都是由較小的星系合併而來。因此尋找合併中的星系,並測量它們的各項物理性質,是研究星系演化歷史的重要方法。但很多時候,地面望遠鏡可以大略看到一個光點可能是兩或多個相鄰的天體組成,卻沒有足夠的解析度可以研究它們的細節。但有了 3D-DASH 的資料,天文學家就可以清楚的看到星系們合併的細節,並研究其中細微的結構以及測量更多複雜的物理量。

合併中的星系們。圖/NASA

不過這種大範圍的巡天計畫也不是完美的。為了拍攝廣大的天區,每個天區分配到的平均觀測時間就會比較少,因此比起 CANDELS 等前輩們,3D-DASH 只能看到相對亮的星系們。雖然如此,3D-DASH 這種相對廣而淺的觀測,不僅可以提供更大量的星系樣本,幫助天文學家使用強大的統計方法進行分析;也可以讓天文學家先大概了解這片天區裡有些什麼,如果發現了有趣的目標,就可以使用哈伯或韋伯等其它強大的望遠鏡們進行更深入的觀測!

3D-DASH 的所涵蓋的天區,以及其超高的解析度。圖/arxiv

參考資料

延伸閱讀

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八爪博士 4ni!?《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世?(下)
科學大抖宅_96
・2022/04/14 ・3339字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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說明:此篇文章原本乃為泛科學 Youtube 影片所寫,經簡化之後,拍攝成〈缺電、輻射、核廢料有解嗎?「核融合發電」有可能嗎?〉和〈最受期待的核融合發電在哪裡?能源數據誰在膨風?〉兩部作品。又,本文並不針對核融合的技術性問題多做解釋,而是想用最少的字數,讓讀者瞭解核融合發展的全貌與大致進程。同時,此文主題也跟「世界是否應該採用核能發電」、「臺灣是否該使用核能發電」、「台灣是否該重啟核四」無關;這是三個完全不同的問題,核融合發電跟現有的核能發電技術也有所不同,無法一概而論。

核融合發電的最低要求

現實中,不管使用什麼方法進行核融合,都需要消耗大量的能量。如果產生的能量比消耗的能量還少、或者只大一點,那麼就沒有商業發電的價值。在討論核融合發電時,我們需要知道「融合能量增益因子」(Fusion energy gain factor)這個詞彙;它常用符號 Q 來表示,代表的是核融合反應爐產出的能量,和為讓反應爐運作所輸入能量的比值:

Q=Pfus/Pheat= 核融合反應爐產出的能量/為讓反應爐運作所輸入的能量

換句話說,如果 Q=1,表示核融合反應產出的能量,和輸入反應爐的能量相等,稱為損益平衡(breakeven)——當然,在這種狀況下,沒有多餘的能量能夠拿來發電。而且,再考慮到核融合反應產出的能量,並不可能全部都被收集並拿來維持反應爐的運作,一般認為,Q 的最低限度也要大於 5,才有機會收入與支出平衡。對核融合發電來說,Q 是越高越好,代表有更多比例的產出能量可作為發電之用,也是所有研究單位努力的目標。

核融合發電的現實

就 2022 年的現在來說,實際上還未有 Q 大於 1 的核融合反應爐出現。但我們確實會在科技新聞中,看到一些聲稱做出重大突破、輸出能量大於輸入能量的研究出現,這是怎麼回事呢?

2014年權威期刊Nature上的新聞提及,有研究團隊成功在核融合過程中產生多於輸入的能量。圖/截圖自 Nature

原因之一是,有些單位在設計實驗的時候,因為許多考量,僅使用氘做燃料,而非目前主流核融合發電使用的氘氚混合燃料;而根據僅使用氘的實驗結果,就可以在理論上推估,若使用氘氚混合燃料可以達到的 Q 值。這樣子推估出來的數字,目前最高記錄是日本的 JT-60 實驗,得到 Q=1.25。

另外一種情形,則是對輸入能量的定義有所不同。舉例來說,2013 年,BBC 刊載報導,表示位於美國加州的國家點火設施,達到「核融合反應的里程碑」,「透過核融合反應所釋出的總能量超過由燃料所吸收的總能量——這是在世上所有的核融合設施中,第一次辦到。」然而,在該實驗中,雷射對裝有核融合燃料膠囊的金屬空腔標靶(稱為「環空器」,hohlraum),輸入了 1 百 80 萬焦耳的能量,最後僅產出約 1 萬 4 千焦耳的核融合能量;換算起來,Q 值為 0.0077。但是,根據計算,雷射輸入的能量當中,只有1萬焦耳真正在燃料膠囊的核心起作用,促成了核融合發生——從這個角度來說,也是一種「核融合反應所釋出的總能量超過由燃料所吸收的總能量」,但總有作弊之嫌。

目前,融合能量增益因子的最高紀錄,是由美國國家點火設施所創下,於 2021 年達到的 0.7,由 1 百 90 萬焦耳的雷射能量,獲得1百35萬焦耳的核融合能量。只是,這樣的計算方式仍然有個問題:若要產生具有 1 百 90 萬焦耳能量的雷射,我們事實上必須使用到遠超其上的能量——如果要拿來發電,這個能量消耗也是必須考慮進去的。

目前最受期待的核融合設施

在近未來之內,最接近商業發電的核融合設施,應屬位在法國南部的國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)。它是跨國出資、合作的核融合設施,成員包括歐盟、印度、日本、中華人民共和國、俄羅斯、韓國和美國,目前仍在建造中,預計於 2025 年開始進行初步電漿測試,並於 2035 年進行氘和氚的核融合實驗。

2020年ITER空照。圖/wikipedia

根據一般說法,ITER 產出能量的功率會達到 5 億瓦特,但只需要五千萬瓦特的能量輸入功率,亦即,融合能量增益因子 Q 會高達 10。這聽起來很不錯,似乎可以作為商業發電之用,或者至少很接近商業發電的目標了。是這樣嗎?

But,人生最重要就是這個 But,5 億瓦特的能量輸出功率,是指核融合反應釋出的能量,而非實際上能夠獲得的電力;有很大一部份比例的能量,都會在轉換成電力時漏失。同時,五千萬瓦特的能量輸入功率,也只是整間電廠營運需求的一部份——根據 ITER 的報告,運作整間電廠約需要 4 億 4 千萬瓦特的能量功率。換言之,儘管 ITER 應該會是近未來 Q 值最高、最成功的核融合設施,但距離商業發電,仍然有一段差距。這也是目前全球的科學家在努力克服的問題。

自己在家做出核融合反應爐?

儘管核融合發電於現實中仍存在許多問題。但是,我們卻也偶爾會看到,媒體大肆渲染,某某青少年在自家做出小型核融合反應爐的新聞,難道全球科學家都被不世出的天才青少年打臉了嗎?

媒體上對青少年自製核融合反應爐的報導。圖/截圖自ETtoday

這類所謂自製的核融合反應爐,大體來說,就是將氘氣引入真空容器內,再利用高電壓使其互撞,並在過程中藉由測得中子,推論核融合反應存在。然而,雖然核融合反應會產生中子,但測到中子並不表示就一定是核融合反應。高速的氘原子互撞,就算沒有成功融合,仍然可能經由其他作用產生中子

另一方面,就算真的有零星的核融合反應出現,其能量產出效率必定極低,輸入的能量遠大於輸出的能量。我們可以說,要人工地讓核融合反應發生,在現代並不是問題;如何讓輸出大於輸入,且持續穩定運作,才是主要的問題。

科學的進步與成功,事實上仰賴許多前人的鋪路,後人才能在前人的基礎上順利抵達終點。如果沒有知識的累積,就期待一蹴可及、出現某個天才打臉所有人,完成前無古人的成果,雖然很有戲劇性,但幾乎是不可能的事情,現代科學研究尤其更是如此。

我們是否將見證歷史性的一刻?

核融合作為未來可能的能源選項之一,無疑是值得研究的課題。過程中花費的金錢與人力縱然可觀,但天下沒有不勞而獲的事,總是要嘗試了,才會知道結果怎麼樣。人類的科學文明,就是這樣不斷地在諸多失敗和成功下,累積成現在的成果。

核融合研究,多年下來有著長足的進步,距離商業發電的目標越來越近。儘管目前看起來,核融合發電距離實用化,還有一段距離,而還要多久才能克服這最後一哩路,也很難說。但搞不好,或許數十年之內,我們就有機會目睹人類能源的歷史性突破。

美國能源部科學家最近發表的統計。橫軸為年代,縱軸則是核融合裝置的效率指標。最上面的黑色和棕色水平線條,則是商業發電需要達到的目標。在數十年來,由不同顏色實線代表的核融合裝置,已有了長足的進步。圖/Progress toward fusion energy breakeven and gain as measured against the Lawson criterion

參考資料

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科學大抖宅_96
35 篇文章 ・ 1119 位粉絲
在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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八爪博士 4ni!?《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世?(上)
科學大抖宅_96
・2022/04/14 ・4737字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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說明:此篇文章原本乃為泛科學 Youtube 影片所寫,經簡化之後,拍攝成〈缺電、輻射、核廢料有解嗎?「核融合發電」有可能嗎?〉和〈最受期待的核融合發電在哪裡?能源數據誰在膨風?〉兩部作品。又,本文並不針對核融合的技術性問題多做解釋,而是想用最少的字數,讓讀者瞭解核融合發展的全貌與大致進程。同時,此文主題也跟「世界是否應該採用核能發電」、「臺灣是否該使用核能發電」、「台灣是否該重啟核四」無關;這是三個完全不同的問題,核融合發電跟現有的核能發電技術也有所不同,無法一概而論。


在漫威電影裡,許多情節設定都跟真實世界的科學有所關連。就前陣子上映的《蜘蛛人:無家日》來說,在公開預告片中可見到知名反派八爪博士的回歸;他不但是研究核能的科學家,在《蜘蛛人2》還打造出了核反應爐。

《蜘蛛人2》公開預告片中的核反應爐。截圖自 YouTube

八爪博士的核反應爐,跟太陽可說有 87 分像;姑且不論畫面呈現得正不正確,這部機器特別的地方就在於,它是核融合反應爐,而非目前核能發電所用的核分裂反應爐。然而,這兩者差在哪裡?都已經有核能發電技術了,為什麼還要研發核融合發電?不僅如此,核融合研究甚至一度引發學術界的爭議醜聞,甚至被拿來拍成 IMDb 超低分的電影。

傳統核能發電的發展趨勢

不久前(2021 年底),臺灣舉辦了是否重啟核四的公投。在選舉期間,我們或許聽過不少關於核能發電的利弊分析與討論。在溫室效應越來越受到關注、以及強調 2050 年要淨零碳排放的現代,核能發電極低的碳排放,是不容忽視的優點;但另一方面,核廢料問題,和核子事故風險,也是反核人士眼中無法接受的缺點。

不管如何,近數十年來,全球核能發電量雖然在日本福島核災後一度減少,但整體而言,仍大致呈現緩慢增長的趨勢。不過,核能在全球的發電佔比,則是於 1996 年達到 17.5% 的高峰後,開始緩慢下降。

全球核能發電佔比於 1996 年達到最高峰。圖/《2021 世界核能產業現況報告》(The World Nuclear Industry Status Report 2021, WNISR 2021)

另一方面,若比較從 1954 年到 2020 年,「開始運轉的核電廠」和「停止運作的核電廠」兩者的數目。可以發現,在 1990 年之前,開始運轉的核電廠,遠比停止運作的核電廠要多得多。但從 1990 年開始,兩者就呈現差不多的趨勢。

從 1954 年到 2020 年,開始運轉的核電廠數目(靛青色)和核電廠停止運作的數目(紫紅色)的比較。圖/World Nuclear Performance Report 2021 COP26 Edition

基於上述統計資料,大抵可以說,因為總總複雜的原因,不管是對是錯,在上世紀 90 年代以後,核電廠慢慢地不像以前那麼受到歡迎。而近年來對溫室效應的關注,以及仍是現在進行式的俄烏戰爭,會對核能發展帶來什麼影響,有待我們持續關注。

為什麼要研究核融合發電?

就在核能前景尚未完全明朗的同時,我們卻也能在許多新聞媒體上看到,除了新式核分裂發電技術的研發之外,還有「Google 和比爾蓋茲投資核融合反應爐」、「世界最大核融合反應爐進入組裝階段」、「中國核融合再創新世界紀錄」、「核融合新創 Helion 獲 22 億美元資金」、「貝佐斯投資核融合新創」等,關於核融合發電的消息;美國政府和其他許多國家也都投入資源在核融合研究。

同樣是核能發電,核融合發電和傳統的核分裂發電,有什麼不一樣?為什麼許多國家與知名人士都對核融合發電寄予厚望?八爪博士又為什麼打擊蜘蛛人的正事不幹,要去研究核融合?(搞錯重點了好ㄇ)

核反應的類型

簡單來說,核反應可分成兩大類,一是原子核分裂成其他較輕原子核,稱為核分裂(nuclear fission);另一則是,兩個以上的原子核結合成新的原子核,稱為核融合(nuclear fusion)。因為核反應往往伴隨能量的吸收或釋放,核能電廠於是利用這一點,擷取核分裂過程中釋出的能量,作為發電之用。

核分裂(左)和核融合(右)的對比。圖/美國核能辦公室

至於太陽,主要由氫構成。龐大的重力將氫向內擠壓,於太陽核心產生極端的高溫和高壓,並促使氫進行核融合反應成為氦,連帶產生能量。目前的核融合研究,目的就是在地球上複製這個過程,以獲取釋出的能量。只不過,地球上並不存在如太陽核心般的高溫和高壓,所以必須人為地製造出適合的環境,核融合發電才有可能實現。也因此,有人會把核融合技術形容成人造太陽,而《蜘蛛人 2》電影裡,八爪博士製造出的核融合裝置,就長得一副太陽的樣子。

核融合發電的優點與困難

相較於傳統的核能電廠,核融合發電擁有許多優點。首先,在許多人擔心的安全性問題上,核融合發電不可能出現像是爐心熔毀或熱失控等狀況。因為核融合發電所需的「燃料」(雖然核反應不算是燃燒)需要人為持續提供,而且核融合反應的環境也需要精密控制,所以一旦系統出現狀況,就會使得整個發電程序停止運作——換言之,不可能「爆走」。

核融合發電在安全性上的優點,也是它最大的缺點——因為核融合反應實在太容易動不動就停止了,科學家們想方設法,目前也沒辦法做到讓反應爐持續不間斷地運作;換言之,它不具有商業發電的價值。也是因為這樣,我們在新聞裡常會看到,某國科學家成功突破紀錄,讓核融合反應持續了幾秒鐘或幾分鐘。而如何讓核融合反應爐能夠持續運作,就成為相關研究最重要的課題之一。

除了安全性問題之外,核能發電產生的核廢料也常為人所詬病。不可否認,目前的核能發電方式,會產生具輻射性的核廢料,半衰期從數百年到百萬年不等,而台灣一直未能設立核廢料的最終處置場,全世界至今也沒有任何一座高階核廢料處置設施正式運轉。預計最快要到 2024 年,在芬蘭才會有全球第一座的高階核廢料永久處置場正式啟用。然而,臺灣的地質條件跟芬蘭完全不同,能否找到適合的最終處置場,仍是個問號。

圖/wikipedia

那麼在核融合發電,也會面臨核廢料的難題嗎?答案既是,也不是。核融合發電也會產生核廢料,但其屬於低階核廢料,基本上就是工作人員使用過後的防護衣和清潔用品,以及反應爐的腔壁等。這些核廢料的半衰期大體而言都不長;因情況而異,約數十年到數百年,其輻射水平即可回覆到接近一般環境的背景值。所以,做為結論,核融合發電還是會產生核廢料,但相較於現有的核能發電,其危險程度以及對環境的影響要小上很多。

最後,核融合發電還有另一個優勢:燃料。現在的核能發電,主要使用鈾 -235 做為燃料;雖然全球的鈾礦礦藏相對豐富,根據世界核能協會(World Nuclear Association)的估計,足夠人類再使用 90 年,但並非取之不竭。相對地,核融合發電常用的燃料是氫的同位素——氘和氚;而氫在地球上極為豐富,要製備氘和氚也並不困難。換句話說,人類完全不需要擔心核融合的燃料不夠這種事情。除此之外,在核融合過程中,還會運用到鋰,它可幫助生成反應所需的氚,而幸好鋰的存量在地球上也是非常豐富,若把陸地上和海洋中的鋰都考慮進來,同樣不需要擔心鋰會用光。[1]

核融合發電的分類

在核融合發電中,為了讓相異原子核能夠進行融合,一般會將其加熱到一億度上下的高溫。一種作法是,利用雷射直接或間接加熱裝了燃料的膠囊,以誘發膠囊內部燃料的核融合反應,稱為慣性局限融合(Inertial confinement fusion)。

美國國家點火設施(National Ignition Facility)的核融合研究,就屬於慣性局限融合。圖/Wikipedia

另一種常見的作法則是,將燃料加熱,使其成為電漿狀態。很顯然地,一億度的電漿,是沒有任何容器可以盛裝的;所以科學家會利用強大的磁場,拘束住電漿,讓核融合反應能夠穩定持續地發生,稱為磁局限融合(magnetic confinement fusion)。八爪博士製造的機器,就比較接近這樣的作法。但跟電影不同的是,現實裡的研究人員是不可能直接站在高溫電漿旁邊的。八爪博士的設計,跟現實不但有差距,而且也顯然更危險。

英國的磁局限融合裝置Mega Ampere Spherical Tokamak。圖片中的發光物質即為高溫電漿。圖/wikipedia

上述核融合發電方式,全部都需要人為地產生高溫,讓核融合得以發生——但這並不表示核融合只能在高溫環境中產生。實際上,早在 1950 年代,科學家就發現,確實有核融合反應在低溫環境即可發生,現在稱為緲子催化融合(muon-catalyzed fusion)。緲子是一種性質跟電子非常類似,但質量比電子大得多、且非常容易衰變的基本粒子。若在氘和氚組成的氫分子中,用緲子取代電子,那麼該氫分子內部的氘和氚,甚至在室溫就可能產生核融合反應。

緲子催化反應示意圖。圖/Stanford

只不過,緲子的備製不僅需要花費大量能量,其迅速衰變的性質,也讓我們很難拿來作為核融合發電之用,再考慮到其他的技術性問題,使得目前的核融合研究,都是朝著高溫的方向進行。

然而,1989 年,有兩位科學家聲稱,成功在室溫環境下,以他們發現的新方法實現了核融合反應。這樣的消息迅速獲得媒體注意,並被大肆報導,人們對實現低溫核融合又開始寄予期望。很可惜地,其他科學家嘗試複製兩人的實驗成果,卻都無法成功;另一方面,科學社群也發現了兩人實驗上的瑕疵。於是,沸騰一時的「冷融合」話題就這麼煙消雲散。現在,雖然仍有少部分人從事相關研究,但都未能成氣候。

1989年5月,冷融合議題登上時代雜誌封面。圖/TIME

儘管如此,或許因為冷融合很有話題性,這個議題並未在媒體上消失;2011 年美國好萊塢甚至以冷融合為主題,拍了一部 IMDb 超低分的電影,英文片名就是冷融合(cold fusion),臺灣翻譯成《關鍵核爆》,劇情甚至把幽浮(UFO)都扯進來了。

延伸閱讀:八爪博士4ni!?《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世?(下)

參考資料


[1] 其實,鈾也存在海洋中。若考慮到海水中的鈾,那麼基本上人類也不用擔心鈾礦不足。只不過,鈾在海水中濃度極低,約 10 億分之 3,不論在運用的技術還是成本上,挑戰都很高。

科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/