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葡萄用微波爐加熱會「發爐」產生電漿?這是怎麼發生的?

火星軍情局
・2019/02/27 ・1009字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 474 ・五年級

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世界上有兩件極為深奧的事:第一,為什麼一顆葡萄剖一半只留一點皮相連,在微波爐中加熱竟會迸出火花「發爐」?在 Youtube 裡就有一堆這樣的影片。第二,我和他都天天掛在YouTube上,怎麼我搞得論文寫不出來,但他能從中找到靈感還登在頂級科學期刊上?

加拿大特倫特大學(Trent University)天文物理系的 Dr. Aaron Slepkov 年輕時在網路上看到這個葡萄發爐的「小把戲」感到非常好奇,後來擔任教職後還在閒暇之餘與大學部學生一同研究,想不到花了五年時間和幾代的學生竟然真的找出原因,把結果發表在PNAS上,第一作者今年大四。
假如你不知道我在說什麼,看了下面的影片,也可以自己到 YouTube 搜尋 “microwave grape” 就知道了。

微波爐是用 2.45 GHz 的微波加熱,在空氣中波長約 12.2 公分,但微波在葡萄中的折射率約是 10,所以波長約是空氣中的 1/10,正好是葡萄的大小,結果微波就容易在葡萄中產生共振而累積能量,測量顯示因為駐波的關係葡萄的中心特別熱。

三張照片從左到右:(A) 切兩半的葡萄、(B) 兩顆完整葡萄、(C)兩顆泡鹽水的水膠球。三者都會爆出電漿。

但是當兩半的葡萄接觸,電場就集中在接觸點,把葡萄裡豐富的鉀打成發光的電漿,就是影片裡看到的火花(並不是真的火)。圖中的三張照片從左到右:切兩半的葡萄、兩顆完整葡萄、兩顆泡鹽水的水膠球,都會爆出電漿。下面的圖是電漿裡的質譜分析,可以推斷葡萄的電漿是由裡面的鉀離子導致的,與鋁箔在微波爐裡產生的電漿成分截然不同。在泡鹽水的水膠球中,鉀離子的角色則由鈉離子取代。

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切兩半的葡萄和兩顆接觸的完整葡萄都可以產生電漿。切兩半帶皮的葡萄成功率較大,因為它不易滾動又能確保連結。

葡萄電漿不但是個很酷的 party trick,而且它告訴我們可以利用電磁波在球體中的共振,把能量集中於比波長更小的尺度裡,比如~應用在光刻上,或可把半導體元件做得遠比紫外線波長更小……。

我知道你的下個問題是什麼:這可不可以在家試?

回答這個問題有點困難,要看你捅出婁子會不會吿我們。只好套 Dr. Slepkov 在接受記者訪問時的話:他的學校在他受訪前建議他不要回答這問題,但他的確在自己的家裡玩過。

參考資料

延伸閱讀

「光劍」是吐槽會決鬥的黑科技,還是快要上市的神兵利器?

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真正的3D顯示技術:脈衝雷射的電漿舞台!

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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凍傷了?來微波加熱一下~
胡中行_96
・2023/02/20 ・1975字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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俄羅斯西伯利亞的科學家,於 2023 年 1 月的《科學報告》(Scientific Reports)期刊上,發表了一些看似能防止烤雞的外皮過焦,同時確保內部肉質鮮美多汁的技巧。比方說,一般作法「由外部加溫很危險,不是每次都能得到正向的結果…」。若改用微波,則「所需的溫度相對不高」,但要力求整體均衡,「不能只有外層受熱」。遺憾他們說了半天,卻跟食物無關,其實是在介紹如何安全又有效地,用特製的微波裝置,治療凍傷患者的四肢。[1]

當然不是把凍傷患者,丟進家用微波爐裡。圖/osseous on Flickr(CC BY 2.0)

微波的對象與裝置

就像料理烤雞,得先弄來雞隻和烘烤的設備;進行這項研究前,需要滿足兩個條件:

  1. 招募凍傷的人:在氣候冷冽的西伯利亞,要造成凍傷,難度並不高。不過,根據《赫爾辛基宣言》(Declaration of Helsinki),人體試驗應該符合倫理,將志願者可能受到的傷害降至最低。[2]不能隨便把人往雪地扔的研究團隊,在當地 Tomsk 市的 2 家醫院守株待兔,期望意外凍傷的人自己找上門。2018 至 2021 年間,每年的冬季他們都耐心等候,總共蒐集到 14 名超過 20 歲的男性,簽署受試同意書。[1]
  2. 製作微波裝置:研究團隊精心打造的裝置(下圖),簡單來說,就是一台方便手腳伸進去加熱的微波爐。前面的圓形入口,包覆著具隔絕效果的金屬材質,以保護傷患與研究人員,免於非必要的輻射暴露。此裝置的微波頻率為 2.45 吉赫(GHz);而功率可達 200 瓦特(watts;簡寫 W),即每秒產生200 焦耳(joule;縮寫 J)的熱能。[1]換句話說,頻率與家用微波爐無異,功率卻低了數倍。[3]

由於研究團隊只想幫傷患加溫,沒有要煮熟他們的意圖,便設定開到 60 瓦特。再加上操作時,會喪失些許熱能,最後傷患實際接收到的,大約僅有 30 至 40 瓦特每個患部加熱 1 至 3 次,每次 30 分鐘。雖然感覺微溫,但不至於難受。9 名傷患接受上述治療;另外 4 個嘗試了不同的功率;還有 1 人則是時間長度減半。[1]

可以把手腳伸進去加熱的微波爐。圖/參考資料 1,Figure 2(CC BY 4.0)

加溫的原理

平均而言,當人體組織的溫度低於攝氏 15 度左右,血液和淋巴循環會停止。身體各部位略有差異,手指的下限是 19 度;而腳趾為 15 度。為凍傷患者回溫時,目標溫度大約是 20 到 25 度上下,要觸及整個患部,而非僅有表層。讓身體恢復運作,才能透過循環,順利輸送藥物。以往從外部加溫的作法,會舒張表層血管,卻容易在深層血管收縮的情況下,導致壞死和截肢等問題。相對地,低功率的微波可以穿透到組織深層,逐漸舒張血管,促進血液與淋巴的循環,不會有上述副作用。[1]

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天寒地凍的西伯利亞 Tomsk 市。圖/Артём Полоз on Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0)

凍傷的等級

凍傷依照程度,可以分為 4 個等級:[4]

  1. 第一級:麻木、脫屑、感覺異常、中央蒼白,以及周圍水腫或紅腫。[4]
  2. 第二級:起水泡,周圍紅腫或水腫。[4]
  3. 第三級:失去整層皮膚組織,還長了出血性水泡。[4]
  4. 第四級:不僅皮膚,連深層組織都喪失了。[4]

微波的療效

此研究受試者的凍傷程度涵蓋上述四級,治療時除了微波,也採用標準療程的消毒與藥物,並視情況選擇是否手術。整體來說,科學家對微波相當滿意,覺得能降低截肢的機率。此外,雖然第一、二級的傷勢輕微,效果比較不明顯;但是他們認為無論初步評估的凍傷程度,每個傷患最好都要接受微波。因為診斷難免失準,若因此錯過治療時機,實在得不償失。[1]

既然如此,未來遇到凍傷患者,是不是都該抓來微波一下?儘管研究證明了科學家的假設似乎可行,目前的受試者就區區幾名男性,不足以建立一套完善的操作指南。臨床上不同體型、年紀或性別的傷患,或許適合不同功率或時間長度的微波治療。這些都有待將來進一步試驗,才能推廣運用。[1]

  

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參考資料

  1. Dunaevskiy G, Gavrilin E, Pomytkin A, et al. (2023) ‘Reduction of amputations of frostbitten limbs by treatment using microwave rewarming’. Scientific Reports, 13, 1362.
  2. WMA Declaration of Helsinki – Ethical Principles for Medical Research Involving Human Subjects’. (06 SEP 2022) World Medical Association.
  3. Radiation: Microwave ovens’. (01 JUN 2005) World Health Organization.
  4. Basit H, Wallen TJ, Dudley C. (27 JUN 2022) ‘Frostbite’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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葡萄用微波爐加熱會「發爐」產生電漿?這是怎麼發生的?
火星軍情局
・2019/02/27 ・1009字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 474 ・五年級

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世界上有兩件極為深奧的事:第一,為什麼一顆葡萄剖一半只留一點皮相連,在微波爐中加熱竟會迸出火花「發爐」?在 Youtube 裡就有一堆這樣的影片。第二,我和他都天天掛在YouTube上,怎麼我搞得論文寫不出來,但他能從中找到靈感還登在頂級科學期刊上?

加拿大特倫特大學(Trent University)天文物理系的 Dr. Aaron Slepkov 年輕時在網路上看到這個葡萄發爐的「小把戲」感到非常好奇,後來擔任教職後還在閒暇之餘與大學部學生一同研究,想不到花了五年時間和幾代的學生竟然真的找出原因,把結果發表在PNAS上,第一作者今年大四。
假如你不知道我在說什麼,看了下面的影片,也可以自己到 YouTube 搜尋 “microwave grape” 就知道了。

微波爐是用 2.45 GHz 的微波加熱,在空氣中波長約 12.2 公分,但微波在葡萄中的折射率約是 10,所以波長約是空氣中的 1/10,正好是葡萄的大小,結果微波就容易在葡萄中產生共振而累積能量,測量顯示因為駐波的關係葡萄的中心特別熱。

三張照片從左到右:(A) 切兩半的葡萄、(B) 兩顆完整葡萄、(C)兩顆泡鹽水的水膠球。三者都會爆出電漿。

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但是當兩半的葡萄接觸,電場就集中在接觸點,把葡萄裡豐富的鉀打成發光的電漿,就是影片裡看到的火花(並不是真的火)。圖中的三張照片從左到右:切兩半的葡萄、兩顆完整葡萄、兩顆泡鹽水的水膠球,都會爆出電漿。下面的圖是電漿裡的質譜分析,可以推斷葡萄的電漿是由裡面的鉀離子導致的,與鋁箔在微波爐裡產生的電漿成分截然不同。在泡鹽水的水膠球中,鉀離子的角色則由鈉離子取代。

切兩半的葡萄和兩顆接觸的完整葡萄都可以產生電漿。切兩半帶皮的葡萄成功率較大,因為它不易滾動又能確保連結。

葡萄電漿不但是個很酷的 party trick,而且它告訴我們可以利用電磁波在球體中的共振,把能量集中於比波長更小的尺度裡,比如~應用在光刻上,或可把半導體元件做得遠比紫外線波長更小……。

我知道你的下個問題是什麼:這可不可以在家試?

回答這個問題有點困難,要看你捅出婁子會不會吿我們。只好套 Dr. Slepkov 在接受記者訪問時的話:他的學校在他受訪前建議他不要回答這問題,但他的確在自己的家裡玩過。

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「光劍」是吐槽會決鬥的黑科技,還是快要上市的神兵利器?

真正的3D顯示技術:脈衝雷射的電漿舞台!

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托克馬克反應爐:地球上創造的人造太陽——成功大學電漿所向克強教授專訪
科技大觀園_96
・2021/07/29 ・3759字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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隨著工業發展,人類對能源的需求日益升高,然而傳統能源多仰賴地殼深處的化石燃料,資源不僅有限還會對環境造成嚴重汙染,為了解決能源危機,數十年來科學家一直在尋找新的替代能源,這種能源必須乾淨、安全,同時還得足以應付人類對能源的需求,但這種終極能源真的存在嗎?

如果你覺得難以想像,不妨抬頭看看天空吧。

恆星內部一直都在持續進行核融合過程,以太陽核心為例,氫原子核在高溫高壓下不斷相互碰撞融合成更重的氦原子,過程中的質量虧損帶來巨大的能量釋放.這些能量也成為太陽能夠持續發光發熱的來源。

恆星內部持續進行核融合反應。圖/pixabay

自二戰結束以來,模仿恆星核心熱融合作為地球上能量來源的想法一直存在,但如何實現遠比想像中更為困難,光是尋找適合融合反應的材料、理解混沌的熱電漿行為便已耗費數十年,地球上的人造太陽該放在什麼樣的裝置內也是一門大問題,而托克馬克(Tokamak)便是科學家目前找出的最佳解答。

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什麼是托克馬克反應爐?

核融合電漿拘限理論專家、成功大學電漿所教授向克強指出,在核融合研究初期,各國科學家曾對約束裝置有許多不同想法,但這些都在蘇聯 1968 年公布托克馬克數據後有所轉變,由於托克馬克得出的結果遠優於當時所有設計近 10 倍,這也使得各國幾乎是在一夕之間拋下原本的設計轉而投入托克馬克懷抱中。

在缺乏恆星內部引力等環境下,實驗室中打造可實用核融合反應爐的溫度需求遠比太陽核心更高,以目前第一代燃料氘(D)和氚(T)為例,需求溫度為 1.5 億°C,約是太陽核心溫度的 10 倍。除了極高的溫度,科學家還必須設法約束、維持電漿的穩定性,創造適當環境讓電漿粒子能產生核融合反應。

這也正是托克馬克所具備的一切。從外觀來看,托克馬克就像一個甜甜圈,環形管道相連與抽氣系統形成真空室,管道外層纏繞著一圈一圈的超導磁鐵,透過環形電漿電流與線圈電流產生磁場約束內部的電漿粒子不會因接觸管道失去能量,去除終端損失來提升能源產生效益。

托克馬克反應爐內部構造。圖/wikimedia

向克強解釋,核融合研究最主要的目的是證明 Q 值(融合能量增益因子)能大於 1,即輸出核融合反應的能量比維持核融合反應的外加能量更多,才能確認真的能用來作為發電使用。有趣的是,核融合研究的進步速度其實與半導體領域的摩爾定律很相似。大約每隔兩年便會增長一倍,近年最新得出的結果已經相當接近最初 Q=1 的目標。

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「如果從 1932 年第一個核融合小實驗算起,人們已經走了將近一個世紀,每幾年邁出一步,如今終於要跨越 1 的目標,一旦能證明 Q 可以大於 1 甚至達到 10,將會是足以得到諾貝爾獎的成就。」

由多國合作參與、鄰近法國南部普羅旺斯的 ITER(國際熱核融合實驗反應爐)正是承載著這樣的希望在準備進行實驗。與傳統發電廠目的不同,ITER 目標並非生產能源提供使用,而是證明核融合發電已經能從電漿物理實驗研究走入實用階段。目前 ITER 已經完成初步建設,預計將於 2025 年展開首次電漿測試、2035 年進行氘氚融合實驗。最終目標是使用維繫設備運作必須的 50 MW 輸入功率產生約 500 MW 的能量,並讓核融合反應至少維持 400 秒,證明 Q 能夠大於等於 10,提供核融合發電商轉可行性的科學證據。

核融合發電與核能發電差異?人造太陽安全嗎?

談到核,許多人第一時間想到的可能是現行的核能發電,然而核能與核融合能可說是完全不同的兩回事。目前的核能發電採用均為核分裂技術,發電核心仰賴使用如鈾般的重元素分裂後形成連鎖反應來釋放能量,儘管能提供大量能源,但也會產生半衰期動輒數萬年的核廢料,長期儲存問題及對環境造成的汙染也是最為人詬病之處。

相較之下,托克馬克採用的是核融合技術,透過設置適當的環境,促使二個輕原子核相互融合產生能量。以目前用來反應的氘氚為例,氘可以從海水中提取,而氚雖然由宇宙射線產生,在自然界中極其稀微,但同樣可以從鋰和中子的反應中產生,融合過程產生的放射性產物半衰期頂多只有 1、200 年.向克強也提及國外最新研究指出,透過重複使用產物,理想中甚至就像醫院的放射性廢棄物一樣處置即可,更別提未來還可能找到更適合的第二代、第三代燃料,廢棄物的放射性還可能更加降低。

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核融合反應,氘-氚的核融合反應產生氦與中子,期間釋放出的核能。圖/wikimedia

在安全性上,由於維持核融合反應需不斷的添加燃料,並不像核分裂會自主產生連鎖反應,一旦系統停止運作內部的融合反應也會立即停止,不會發生如傳統核電廠般爐心熔毀導致輻射外洩等無法控制狀況,建造不需要大片土地,零件製造上也比太陽能製造過程更為環保,加上運作過程沒有任何碳排放且只會產生少量的放射性廢棄物,可以說核融合對環境相對友善之餘又可滿足能源要求,與核能相比,應該是更容易被社會所接受的能源來源。

向克強認為,討論核融合最重要的一點,便是去了解「核融合與非核家園的願景並不衝突」。這不僅是單方面的說詞,許多國家都有著同樣想法,以同樣主張非核家園的德國為例,除了是 經由歐盟參與ITER的主要參與國之一,德國國內更有托克馬克和仿星器 W7X 兩大核融合反應裝置,在核融合研究投資上絲毫不手軟,鄰近台灣的韓國也在國內自力建造被稱為韓國太陽的 KSTAR托克馬克並參與ITER,甚至直接標榜核融合為「綠能」。

終極綠能的未來

由於托克馬克帶來的能源願景十分遠大,除了 ITER 的環形托克馬克形式,目前國際新型態的圓形托克馬克也展現出不同方向的發展潛力,向克強透露,許多先進國家早已有長遠的核融合發展計劃,除了參與 ITER,歐盟、美國、中國、日本、韓國自家的托克馬克研究項目也都在持續進行,「就像所有科學研究一樣,彼此間是合作也是競爭關係,大家都已經開始考慮 ITER 之後該做些什麼。」

所有人都想打造人造太陽來解決國內能源問題,但我們似乎忘記了什麼重要的事情。

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目前 ITER 約有多達 35 個國家參與,歐美民間也有一些企業正積極投資,就連泰國、哥斯大黎加也都了解到核融合對未來的重要性.開始投入大筆資源進行核融合研究,許多國家甚至開始規劃在 2050 年前後建造示範性核融合電廠,相較之下,台灣目前僅有極小規模的研究能量,向克強形容,現在的情況就像是國際上有一場關於乾淨能源的盛宴,唯獨台灣沒有參與其中。

事實上作為缺乏天然資源的亞洲國家,理應更迫切期待更好的能源來源出現,向克強指出,過去印度推廣核融合的專家訪台演講時,就曾直接表示印度的生活水準若要提升至與歐美國家相仿,核融合將是為未來「唯一選項」,從國內核電廠造價來看,台灣其實也具備國力發展核融合電廠,現在最重要的是盡早在現有基礎上投入更多先端研究,同時培養相關人才,才能在未來能源變革上與世界接軌,「我們已經落後許多,現今必須竭力趕上。」

回憶起投入核融合研究的契機,向克強笑著表示,他依稀記得 1969 年仍就讀高中時,剛成立不久的徐氏基金會曾舉辦一場科普演講,邀請到剛參訪美國相關機構的大學教授談論核融合,講者在最後說了這樣一段話:也許,根本沒有任何人了解核融合,就是這樣一段話提起他的興趣,往後數十年間一頭栽入核融合能源領域研究中。如今向克強不僅是核融合電漿拘限理論的專家,更是國內托克馬克反應爐理論的少數研究者之一,帶著曾於美國橡樹嶺國家實驗室、韓國、日本核融合研究中心擔任教授或科學家的經歷,目前也持續在成大電漿所投入國內與國際合作研究,協助建立核融合能源及電漿科學研究團隊。

向克強表示,他也是後來才發現 1969 年正好是托克馬克開始被各國重視的年代。「如果當年沒有去參加那場演講,也許我今天就是在其他領域進行研究,只能說人生有很奇妙的對稱性。現在到我這個年紀也開始要為大眾科普貢獻綿薄之力,希望同樣能帶給一些人正面影響。」

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50 年過去,人們現在對核融合的理解已經更為深入,掌握了許多當初不清楚的環節,然而核融合發電的研究仍在持續,ITER 的氘氚實驗至 2035 年才開始,發電廠設計還有更長遠的路要走,人才培育需要數十年的時間,如果現在起步,或許這樣的對稱性仍可持續延續下去。

參考文獻

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科技大觀園_96
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