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蘇聯「氫彈之父」沙卡洛夫誕辰│科學史上的今天:5/21

張瑞棋_96
・2015/05/21 ・905字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

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一九八○年代初期,當「氫彈之父」泰勒繼續在美國權力核心左右逢源,志得意滿地說動雷根總統將軍備競賽提昇到星戰層級時,在地球的另一邊,「蘇聯氫彈之父」沙卡洛夫(Andrei D. Sakharov, 1921-1989)已被蘇聯當局以顛覆政府的罪名逮捕,放逐至偏遠的高爾基城(Gorky),歷經兩度絕食抗議,兩度被強迫灌食。

何以對國家貢獻卓越、三度獲得「社會主義勞動英雄」榮譽、獲頒國家獎章、在蘇聯科學界享有崇高地位的民族英雄,最後竟會被視為國家叛徒,慘遭流放?

1948 年,原本研究宇宙射線的沙卡洛夫加入「蘇聯原子彈計畫」,希望幫助國家在國防武力上足以與敵國美國相抗衡。第二年原子彈試爆成功後,美國大為緊張,趕緊研發威力更強大的氫彈。沙卡洛夫因為具有核融合方面的理論專長,遂被任命主持氫彈的研發,而成功地緊追美國之後,於 1953 年引爆蘇聯第一枚氫彈。

幾年後沙卡洛夫開始對核子武器與軍備競賽帶給全人類的威脅感到不安。他先是呼籲各國停止核子試爆,並推動美、英、蘇三國於 1963 年簽訂停止進行地上試爆的條約和,以避免輻射塵汙染大氣。1967 年,他大膽寫信給蘇聯領導人,建議接受美國提議,雙方共同放棄發展反彈道飛彈,以免軍備競賽造成不可挽回的後果。此舉造成他與高層的關係開始急遽惡化。

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眼見政府當局鐵板一塊,沙卡洛夫開始省思蘇聯的政治體制,積極參與國內的人權與民主運動。1975年他獲得諾貝爾和平獎,卻被禁止出境而無法出席領獎。1979 年他公開譴責蘇聯入侵阿富汗,終於惹惱當局,於第二年被控意圖顛覆政府,放逐至高爾基城。直到 1986 年才因戈巴契夫的改革政策而平反,重返莫斯科。但三年後即因心臟病過世,享年 68 歲。

同樣是以科學家的身分反對發展核武,相較於西方的科學家在安全無虞的環境下大聲疾呼,沙卡洛夫賭上身家性命忤逆上位,更是難能可貴。他這種不戀權位、無懼威脅的硬漢作風真正展現了科學家求真的風範。同樣是「氫彈之父」,沙卡洛夫卻因為秉持良知,而與泰勒卻有著截然不同的境遇,真是令人感慨啊。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 983 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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如何靠溫度控制做出完美的料理?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/06/21 ・2766字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

美味關鍵 1:正確油溫

炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

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如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

油炸時,麵衣水分會快速汽化。圖/截取自泛科學 YT 頻道

美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

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焦糖畫反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道


焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

油溫與健康

油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

科學的溫度控制

傳統電磁爐將溫度計設在爐面下,透過傳導與熱電阻來測溫,Panasonic 的 IH 調理爐則有光火力感應技術,利用紅外線的 IR Sensor 來測溫,不用再等熱慢慢傳導至爐面下的溫度計,而是用紅外線穿透偵測鍋內的溫度,既快速又精準。

而且因為紅外線可以遠距離量測,如果甩鍋炒菜鍋子離開爐面,也能持續追蹤動態。不會立即斷開功率關掉,只要鍋子放回就會繼續加熱,效率不打折。

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好的溫度感測還要搭配好的溫度控制,才能做出一流的料理。日本製的 Panasonic IH 調理爐,將自家最自豪的 ECONAVI 技術放進了 IH 爐中。有 ECONAVI 的冷氣能完美控制你的室溫,有 ECONAVI 的 IH 調理爐則能為你的料理完美控溫。

有 ECONAVI 的 IH 爐不只省能源、和瓦斯爐相比減少碳排放,更為料理加分。前面說了溫度就是一切的關鍵,但是當我們將食材投到熱鍋中,鍋中的溫度就會瞬間下降,打亂物理與化學反應的節奏,阻止我們為料理施加美味魔法。

所以常常有好的廚師會告訴我們食物要分批下,避免溫度產生太大變化。Panasonic IH 調理爐,只要透過 IR Sensor 一偵測到溫度下降,就能馬上知道有食材被投入並立刻加強火力,讓梅納反應與焦糖化反應能持續發揮變化。而當溫度回到設定溫度,Panasonic IH 調理爐也會馬上將火力轉小,透過電腦 AI 的迅速反應,掌握溫度在最完美區間不劇烈起伏。

不僅保證美味關鍵,更不用擔心油溫超過發煙點而導致油品變質,讓美味變得不健康。

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透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

舒適的烹飪環境

最後,IH 爐還有一個大優點。相比於瓦斯爐,因為沒有使用明火,加熱都集中在鍋具。料理過程更安全,同時使用者也不會被火焰的熱氣搞得心煩意亂、汗流浹背,在廚房也能過得很舒適。而且因為熱能集中,浪費的能源也更少。

因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

為了更多的功能、更好的效能,我們早已逐步從傳統按鍵手機換成智慧型手機。一樣的,在廚房內,如果你想輕鬆做出好料理,同時讓烹飪的過程舒適愉快又安全。試試改用 Panasonic IH 爐,一起享受智慧廚房的新趨勢吧!👉 https://pse.is/649gm5

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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核融合發電有望實現?從美國 NIF 的最新研究看未來發展——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/05/13 ・3291字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 張博宇/目前專研於高能高密度電漿、電漿推進、核融合等領域。

Take Home Message

  • 美國國家點火設施(NIF)在去年使用慣性控制核融合,首次在可控的核融合反應中,令能量的輸出大於輸入,朝核融合產能邁進了一大步。
  • NIF 將 2.05 百萬焦耳(MJ)的雷射能量注入靶材,經過核融合反應產生了 3.15 MJ 的能量,靶材增益為 1.5。但若將產生雷射能量的耗能考慮進去,則並沒有真正的能量輸出。
  • 臺灣各學校的物理系、核工系、電漿所其實都有學者針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究,期望這次NIF的成果能推動相關領域進展。

去(2022)年 12 月,美國能源部(Department of Energy, DOE)、DOE 所屬的國家核安全管理局(National Nuclear Security Administration, NNSA)、勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL),以及 LLNL 所屬的國家點火設施(National Ignition Facility, NIF)召開了一場記者會。

在記者會中,他們共同宣布在實驗中實現增益值(gain)大於一的結果,意即實現了第一次在可控的核融合(controlled nuclear fusion)反應中,輸出的能量大於輸入的能量,朝核融合產能邁進了一大步。然而,這項結果是否代表著核融合發電即將被實現?

產生能量的核融合反應

在核融合反應中,若兩個較輕的原子核可以融合成一個較重的原子核,且反應之後的總質量減少,那麼根據愛因斯坦(Albert Einstein)質能互換的關係(E = mc2),減少的質量將會轉換成能量。

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最容易產生的核融合反應是將氫(1H)的兩個同位素氘(2H,或稱為 D)及氚(3H,或稱為 T)的原子核融合,產生一個 α 粒子(即氦原子核,4He)加一個中子(neutron, n),同時產生 17.6 百萬電子伏特(MeV)的能量:

D+ T+ α2+ n ——公式一

在公式一的核融合反應中,兩個帶有正電的原子核必須互相靠近才能融合在一起。然而,兩個帶正電的粒子互相具有排斥力,而且愈靠近排斥力就愈大。因此,除非這兩個粒子互相靠近的速度快到排斥力無法阻止它們相撞,核融合才能發生。除此之外,還必須要考量到庫倫散射(Coulomb’s scattering)的現象——若兩個帶正電的原子核沒有正面對撞,則兩者會因為排斥力的原因轉向——更增加了兩者靠近的難度。

因此,只能把氘與氚氣體加熱到高溫,長時間侷限這些高溫的燃料,讓極少數高速的原子核有機會互相靠近並發生核融合反應、產生能量。但即便是最容易發生的氘加氚核融合反應,也需要將燃料加熱到 50 千電子伏特(keV,約為 5.8 億 ℃)才能有最高的反應速率。

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有什麼方法可以將燃料加熱到所需要的溫度呢?看回公式一,氘與氚的核融合產物中具有能量為 14.1 MeV 的中子,及 3.5 MeV 的 α 粒子。我們可以讓高能的中子將能量攜出後再轉換為電能,但讓帶有較少能量的 α 粒子保留在系統中加熱燃料。因此普遍實現核融合產能的系統,目標都是將燃料加熱到溫度約 10 keV(約為 1 億 ℃),讓核融合產生的 α 粒子能繼續加熱燃料。

帶來重大進展的核融合研究

目前國際間研究的核融合反應主要可分為磁場控制核融合(magnetic confinement fusion)與慣性控制核融合(inertial confinement fusion),NIF 去年的實驗便是使用間接驅動(indirect-drive)的慣性控制核融合。

在這次的實驗中,當 2.05 百萬焦耳(megajoule, MJ)的雷射能量注入環空器(hohlraum)1並加熱中間的球殼靶材後,經過核融合反應產生 3.15 MJ 的能量,意即靶材增益(target gain)約為 3.15 / 2.05 = 1.5,是人類首次在可控的核融合反應中,輸出的能量大於輸入的能量。

然而,若將產生 2.05 MJ 的雷射能量考慮進去,需要耗掉的能量約為 300 MJ;換言之,這次實驗的真正能量增益(energy gain)約為 3.15 / 300 ≈ 0.01,並沒有真正的能量輸出。

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不過,NIF 使用的是 90 年代的雷射技術,它的建造目的是為了國防研究所需,因此並不是最適合核融合的研究場域,在雷射技術上還有很大的進步空間。再者,回顧 NIF 從 2011 年開始進行的核融合實驗,歷經了超過十年終於第一次實現靶材產生的能量超過了雷射的能量,對 NIF 而言可說是向前邁進了一大步。

更重要的是,在去年的實驗中,靶材都進入了 α 粒子能夠繼續加熱燃料的燃燒電漿(burning plasma)範圍,是過去核融合研究從未達到的條件,只要稍微最佳化實驗條件便能讓輸出能量有顯著的提升。因此,這次的重大突破顯示了核融合的可行性並非天方夜譚。

臺灣的核融合相關研究發展

核融合研究本身是一個複雜的系統,在科學上及工程上都有許多的挑戰,許多名字上並沒有「核融合」的研究,其實也都間接與核融合相關。以這次的慣性控制核融合為例,相關的研究就包含了雷射技術、靶材製作技術、粒子量測技術、高速攝影技術等。

若以磁場控制核融合來說,也包含了高溫超導、微波技術、高壓脈衝技術、粒子加速器等科技。當然,最重要的就是電漿科學、電漿加熱、電漿量測技術等研究,因為任何材料在高溫的條件下,都會變成電漿態。 

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在臺灣各個學校的物理系、核工系、電漿所分別都有 1~2 位老師在研究電漿相關的領域,尤其成功大學的太空與電漿科學研究所,更有針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究。然而,相較於國外蓬勃發展核融合的環境相比,臺灣投入核融合研究的人數仍然明顯不足。

期盼這次NIF的實驗成果,能夠吸引更多臺灣的學生及研究人員投入核融合的相關研究,更刺激政府、民間團體投入更多的資源在核融合研究上。

兩種不同的核融合方式

當物質被加熱到 1 億 ℃ 時,原子內部帶負電的電子便會脫離帶正電的原子核,形成帶負電的電子及帶正電的原子核混合在一起的狀態,稱為電漿(plasma)。我們可以利用帶電粒子的特性侷限高溫的電漿,目前廣泛被研究的核融合反應可分為磁場控制核融合與慣性控制核融合,它們的原理有哪些不同?

磁場控制核融合

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熱核融合反應器。圖/科學月刊。

其中一種方式便是藉由稱為「托卡馬克」(tokamak)的環形容器產生核融合。透過環磁場線圈及延著環形方向的電漿電流(plasma electric current),在環磁場線圈的內部形成一個扭曲但繞著環磁場線圈的螺旋磁力線(helical magnetic field),讓電漿不斷延著螺旋磁力線移動,被侷限在環磁場線圈形狀的真空腔中但不與真空腔的腔壁接觸。

最後,再將電漿加熱到 10 keV的溫度。此核融合的方式能透過磁場將低密度(接近真空)的電漿侷限在真空腔中上百秒或更久的時間,讓高溫的氘、氚原子核有機會互相靠近並發生核融合反應。

慣性控制核融合

慣性控制核融合是利用電漿本身的「慣性」來侷限電漿。由於粒子本身的質量不等於零,所以離開系統需要時間,只要燃料在離開系統前反應完畢,那是否被持續侷限就不重要了。

因此,慣性控制核融合必須將氘與氚的燃料加熱到近 10 keV,並壓縮到高壓力(約千兆大氣壓,gigabar)及高密度,讓粒子間碰撞的頻率在極高的密度下大幅度提升,增加核融合發生的頻率。因此僅需要將系統維持/侷限在奈秒(ns)內,同樣能將燃料燒完。

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慣性控制核融合可分為直接(direct drive)或間接驅動,不過兩種驅動方式都是為了快速加熱球殼外層。當球殼中心的氘及氚溫度達到 10 keV 時,核融合反應便會從中心開始發生,產生的能量可以由內而外藉由核融合反應燃燒球殼。

因為球殼本身的慣性向外推,因此產生能量。圖/科學月刊。

球殼內部在前述的過程中因為壓縮產生高壓,外部的雷射也會停止使得外部的壓力減少,因此球殼又會被向外推。然而,因為球殼本身的慣性,被向外推較為耗時,因此只要向外燃燒球殼的速度大於球殼被向外推的速度,便能將整個球殼再被外推前燃燒殆盡,產生能量。

註解

  • 〔註 1〕環空器是一種腔壁與腔內達到輻射熱平衡的空腔,在慣性控制核融合實驗中燃料球會被放入環空器,再於環空器兩端孔洞射入雷射提供能量。
  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 4 月號〉
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