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鋼鐵人的弧形反應器事實上超大

credit: CC by xenopaul@flickr

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文 / Ng-san

能量來源是鋼鐵人裝備中做重要的一環。應該不會有人質疑這句話吧!畢竟拯救地球不是件輕鬆的事。但若是有人說,他的研究對象是弧形反應器,也許百分之七十以上會被當作阿宅,剩下的百分三十來源是鄰座同學和學弟。

鋼鐵人胸口的核反應器的確存在,只是尺寸大到無法鑲在鋼鐵人的胸口,更別提戴著他拯救地球。實際存在的原子核反應爐像是一顆附有超大變壓器的甜甜圈 ── 托卡馬克 (Tokamak)!?

托卡馬克 (Tokamak)

托卡馬克 (Tokamak)

重力場的大小與場源質量成正比。太陽的質量( 1.6 × 1030 kg)所產生的重力場,不僅能夠撕裂彗星,還能夠啟動核融合反應。[1]太陽以重力拘束電漿,即使氫核和氫核之間碰撞產生核融合反應的機率微乎其微,但是在拘束時間可視為無限長的條件下,仍然可以維持核融合反應。然而太陽的質量是地球的106倍,而目前人類尚未有能力控制重力。欲啟動和維持核融合反應得另尋他途。[2]

credit: public by NASA/SDO (AIA) ,2010 Aug19 太陽上正持續進行著核融合反應,表面活動的能倆也源自於此。

credit: public by NASA/SDO (AIA) ,2010 Aug19
太陽上正持續進行著核融合反應,表面活動的能倆也源自於此。

沿著磁力線因勞侖茲力(Lorentz force)以螺旋的方式移動是帶電粒子的特性之一。[3]前蘇聯的物理學家和工程學家發明了附有超大變壓器的甜甜圈 ── 托卡馬克,以變壓器提供環形的磁場源,磁力線首尾相接,理想中電漿便永遠被困在托卡馬克中。很明顯地,為了保護反應爐的秘密,電影中的鋼鐵人還是以電弧作為障眼法。

太陽上的電漿成因於核融合釋出的高能,托卡馬克選用電漿的目的是絕熱。加熱電漿的目的是增加核與核之間互相碰撞的機率。以氘(Deuterium)-氚(Tritium)的反應為例,在100keV時有最大的碰撞截面積。幸好實際上粒子溫度的分布曲線呈現常態分佈,所以只要將電漿加熱到10keV就有部分粒子具備足夠的能量進行核融合反應。即使如此任務難度仍然非常高,因為10keV大約相當於攝氏一億度!若是以固態靶材,加熱至靶材的能量則因為彈性碰撞而散失。理想的磁拘束電漿在托卡馬克裡會沿著磁力線螺旋運動,就像懸浮在托卡馬克中。[3][4]

credit: CC by Dstrozzi@wiki ,
加熱電漿的主要目的是增加反應速率,目前在TOKAMAK中採用 D 與 T 為燃料,而非氫的主要原因是氫在自然狀態下,核與核碰撞後發生核融合反應的機率為微乎其微。相較於現今任何一種發電方式,核融合一單位燃料產出的電量是非常可觀的,但是D 在地球上的存量也是有限的。若不改善能源的需求,也許某天人類得上太空去採礦 。

References

  1. D. R. Williams. Sun fact sheet. NASA., 2013.
  2. E. Bohm-Vitense and E. Bohm-Vitense. Introduction to Stellar Astrophysics:. Introduction to Stellar Astrophysics. Cambridge University Press,1989.
  3. Kenro Miyamoto. Fundamentals of Plasma Physics and Controlled Fusion. NIFS PROC: Kakuyugo-Kagaku-Kenkyusho. National Institute for Fusion Science, 2011.
  4. J. Wesson. Tokamaks. International Series of Monographs on Physics. Oxford, 2011

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