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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

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?

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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。

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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

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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。

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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
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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/

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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
43 篇文章 ・ 54 位粉絲
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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最安全的核電廠?小型核電廠 SMR 用發電量換安全性,遇到停電也不怕?
PanSci_96
・2023/06/03 ・2582字 ・閱讀時間約 5 分鐘

隨著核電廠陸續退役,台灣也逐漸邁向零核家園,郭台銘突然提出的「一縣市一核電」把核能議題的熱度重新炒到高峰。

雖然看似激進,但有人認為如果是郭董提到的「小型核電廠 SMR」的話,或許就有可能。這個 SMR 到底是什麼?它安全嗎?再者,它真的是核電的未來嗎?

實際上已經有人成功運行小型核電廠,並且已經併網發電了,他們是怎麼做到的?

小型核電廠是什麼?

台灣現在僅存,還在運作的核電廠就是核三廠,核三有兩部機組,每個機組的發電量大約為 950MW。

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小型核電廠正式的名稱是「小型模組化反應爐」SMR(Small Modular Reactor),發電量通常在 20~300 MW,比一般核電廠小上許多。還有甚至更小,發電量 1~20 MW 的 MMR(Micro Modular Reactor)的反應爐。

奇怪,發電量怎麼越發展越小了呢?這樣不就得要蓋更多核電廠?

小型核電廠的特點就是小發電量,因為這能創造三個優點:安全、造價便宜、易組裝。

核能那麼危險,為什麼還要用?

這三個優點實際上就是現在核電發展的最大瓶頸。核能發電也已經有 60 年歷史了,但至今全世界的發電量中,核電也只佔大約 10%。最大的問題不外乎就是安全性、造價昂貴和建造時間久。

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就算撇除安全性,漫長的建設時間與昂貴的發電成本,是讓許多電力公司卻步的原因之一。根據能源研究公司 BNEF(彭博新能源財經)的調查,從 2009 年到 2021 年,12 年間核能的建設成本增加了 36%;加上核電廠動輒 5~10 年的建設時間,就算核能是屬於低碳排的發電方式,大家也都更傾向選擇發展成熟的再生能源。

核能有一個最大的優點,那就是穩定持續發電。太陽能與風力這些再生能源容易隨天氣與時間影響發電量,反之核能屬於基載電力,本來就與風力、太陽能定位不同。

太陽能與風力等再生能源易隨天氣與時間影響發電。圖/Envato Elements

小型核電廠如何克服安全性?

要好要快也要便宜,除了穩定與低碳,還想要兼顧安全跟造價低的核電,小型核電廠真的是那個完美的選擇嗎?

小型核電廠 SMR 主打的特點就是一個字,小!只要夠小、功率降低,反應爐就不會一口氣釋放太多的熱,甚至能免除外部冷卻設備,靠自然循環降溫。

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福島核電廠發生意外的主因就是海嘯破壞了核電廠中做為緊急電源設備的發電機與電池,導致冷卻系統失效,最後反應爐內的溫度無法抑制、不斷竄高,將水分解成了易燃的氫氣,產生爆炸。

如果 SMR 的反應爐可以撇除對外部冷卻系統的依賴,靠自己就能降溫,就能最大程度避免發生爆炸以及爐心熔毀的事故。

我們以目前 SMR 發展最成熟的美國公司 NuScale 為例,在他們發展的 60MW 反應爐中,含有 37 個燃料束,整個反應爐高約 17.8 公尺,直徑約 3 公尺。這個大小甚至可以在工廠製造,透過貨車或火車運送至預定地再快速組裝起來,大幅減少建造的時間與成本。

NuScale 把水循環系統都包在了反應爐,一次冷卻劑藉由熱對流上下循環,完全不需要幫浦,減少停電時產生的風險,一次冷卻劑的熱則會傳給二次冷卻劑,讓二次冷卻劑變為蒸氣推動渦輪發電。

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如果真的遇上斷電事故,反應爐也有緊急冷卻系統,直接將整個反應爐泡在大水槽中;根據計算,水會在 30 天後完全蒸發,而此時的反應爐功率已經降低為原本的 4% 以下,只要靠空氣循環就能穩定溫度。

福島第一核電廠事故主因是由於海嘯破壞了做為緊急電源設備的發電機與電池。圖/維基百科

中國的小型核電廠是怎麼做到的?

而現在,在中國已經有第一座陸上 SMR 併到電網了!2021 年年底,中國山東省「石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程」正式併網發電,發電功率 200MW,雖然發電廠的總體積不小,但以它的發電功率及主打安全的設計,是實實在在的一座 SMR。

所謂的「高溫氣冷堆」,指的是流經燃料棒,充當冷卻劑與熱交換的材料,所使用氣體如:氦氣。與壓水式反應爐用水作為冷卻劑的最大差別在於不僅熱轉換效率更好,也不用擔心水因高溫氣化而有爆炸風險,故可承受更高的反應溫度。

比起傳統反應爐,高溫氣冷堆可以用更少的鈾 -235 進行反應,也就是能在燃料棒中有更多的鈾 -238 可以在溫度飆高時吸收掉多餘中子,加上高溫氣冷堆本身就能承受高溫的特性,如果真的遇到失去電力的情況,整個反應堆的溫度,也會穩定在 1600℃ 上下。

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除此之外,石島灣核電廠的設計十分有趣,是球狀反應爐。在如同沙漏般的大反應爐中,燃料棒被做成了一顆顆直徑約 6.7 公分的燃料球,兩萬七千顆燃料球像沙漏中的沙子一般填充在反應爐內。

鈾燃料會被包裹在球狀構造的中心,外頭則是作為中子減速劑的石磨;作為冷卻劑的高溫氦氣會從球的中間通過帶走熱量,燃料球可從下方取出,並從上方填充。

不過,高溫氣冷堆能否成功,還需要許多時間觀察,例如石磨包裹的燃料球是否容易摩擦造成破裂,都是需要進一步注意的。

燃料棒被做成直徑約 6.7 公分的燃料球。圖/PanSci YouTube

小型核電廠的未來?

除了中國外,各國也都在發展不同形式的 SMR,甚至有人在發展功率 20MW 以下的微型核子反應爐 MMR。例如美國愛達荷國家實驗室正在建造的 MARVEL 反應爐,以及核能公司 Radiant,它們正在打造貨櫃大小、可以隨拉隨走的 MMR,希望能取代社區停電時使用的高污染柴油緊急發電機。

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不論是小型還是微型核電廠,除了技術還有待發展,成本是否能壓低,也是個重要指標。當然,還有另一個大魔王,就是核廢料問題,還等著被解決。

根據研究推算,NuClear 各種機型每單位能量產生的核廢料可能會是傳統核電廠的 5.5~30 倍不等,球狀反應堆的體積因為球狀包裹物的設計,核廢料的體積也是明顯可見的變大,而這些核廢料的處置問題也是全球都在面對的問題。

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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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