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八爪博士前傳?M.I.T.開發背負式機械手臂

陸子鈞
・2014/06/06 ・710字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

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麻省理工學院(M.I.T.)的淺田亨利(Harry Asada)教授設計出一款「外掛機械手臂」(Supernumerary Robotic Limbs, SRLs),能夠輔助人類的工作。雖然機械手臂還在原型階段,不如八爪博士的機械手臂威猛,但這套機械手臂更先進,能夠自動判斷人類動作是否需要協助,因此自然手臂可以保持工作狀態,不用忙於操控。

研究團隊表示:「想像有一天,人類有第三支手、第三支腳在身上,能夠輔助他們抓取物品、支持身體、分攤工作,精簡工作流程;假如『外掛手臂』的動作能夠非常精準地和自然手臂配合,使用者就能夠意識到機械成為身體的延伸。」

2-mitlabdesign

當你左手拎著剛從市場買的菜,右手握著外帶的熱美式咖啡,回到家發現沒手可以開門,那麼外掛的手臂就派上用場了。雖然背著這款機械手臂走在路上可能會被蜘蛛人預防性羈押看起來很怪,但在工業上就很實用,像是需要精準卻又無法自動化的手工製造業,就可以藉這款機械手臂提高工人的產能。

 

使用者手腕上裝有慣性量測儀器(inertial measurement units, IMU),能夠監測自然手臂的行為。電腦將儀器收集到的數據根據先前學習的人類行為模式,推測出人類手臂動作的目的,再指示機械手臂該執行什麼動作,以配合自然手臂。像是當我們把雙手高舉過頭,電腦會預期我們要抬舉物體,所以也會將機械手臂高舉,助你「兩臂之力」。

 

外掛機械手臂目前有兩種原型,一種架在肩上,能夠輔助高過頭部的工作;另一種背在腰上(如圖一右所示),能作為多出來的雙手或雙腳(裝兩組就成為八爪博士了?)。研究團隊於IEEE國際機器與自動控制大會(IEEE International Conference on Robotics and Automation)展示機械手臂原型。

資料來源:MIT lab designs workload-sharing robotic limbs. Phys.org [Jun 03, 2014]

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陸子鈞
295 篇文章 ・ 4 位粉絲
Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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鑑識故事系列:手錶會「記錄」死亡時間?!
胡中行_96
・2022/08/29 ・2476字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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時年 26 歲[1] 的 Caroline Dela Rose Nilsson 手腳被緊縛,[2] 嘴巴堵塞著,神色極度焦慮,[1]在自家的車道上呻吟。[3, 4] 鄰居見狀快速通報警察。[1]

事情發生在 2016 年 9 月 30 日,[4] 晚間 10 點 10 分,[1] 南澳阿德雷東北市郊的 Valley View 地區。[1, 3] Caroline 的三個孩子當時在家,他們分別為 1、3 和 5 歲;[2] 而她 57 歲的婆婆 Myrna Nilsson 早已被重擊致死,陳屍於洗衣間。[5] 稍後,員警在屋裡的走廊找到眼神渙散,面容哀戚的男孩;他的兩個姊妹則是面部朝下,趴在床上哭泣。員警讓孩子們同自己坐在警車裡,但卻什麼也問不出來。[5]

另一邊,當死者的兒子 Mark ,也就是 Caroline 的丈夫,得知母親死了。 Mark 詢問警方, Caroline 是否受傷,然後平靜地以實事求是的口吻說:「我不懂怎麼會有這種事情,您是說意外嗎?」由於警方不願意透漏細節,在完全不知道來龍去脈的情況下, Mark 又問是不是有人闖入家中。[5][註1]

澳洲國產霍登皮卡車的模型。圖/Andrew Bone on Flickr(CC BY 2.0

根據 Caroline 的說法,當天有 2、3 名開著皮卡車的男性,跟蹤她的婆婆 Myrna 回家。他們與 Myrna 在屋外爭執了約 20 分鐘,但殺害她的時候, Caroline 碰巧在關著門的廚房裡,所以什麼也沒聽到。[1] 這幾個「看起來像粗工」的人,後來也攻擊 Caroline 。[2, 5] 問題是,如果三個孩子徹頭徹尾都在屋裡,為何會安靜到沒被捲進來?

檢方拿 3 個孩子的頭髮樣本,去做藥物檢測,其中 2 個結果顯示有Tramadol殘留。[2] 在澳洲屬於四級管制藥物的 Tramadol ,需要有處方籤才能取得,是一種會抑制呼吸且具有鎮定作用的止痛劑,一般不得施予 12 歲以下的兒童。[6] 更啟人疑竇的是,屋裡既沒有外人入侵的 DNA 證據,附近的鄰居也沒注意到一輛皮卡車進出。[7] 這令檢警不太採信 Caroline 的說辭。[1]

此外,負債澳幣 4,000 元(時值約新臺幣 10 萬元)的 Caroline ,每半個月還得跟丈夫共同支付婆婆 Myrna 澳幣 1,000 元的房租。[註2]相較之下,Myrna 經濟優渥,不僅擁有汽車,在澳洲和菲律賓置產,曾赴歐洲旅遊,還給年幼的孫子買車買房。Mark 是獨子,若 Myrna 過世,他們夫婦便可順勢繼承財產,謀財害命的動機充足。[8]

檢警因此把 Caroline 列為頭號嫌疑犯,卻始終沒有以謀殺罪名逮捕她。直到 2018 年 3 月,他們取得關鍵證據。[1]

蘋果智慧型手錶示意圖,非當事證物。圖/Adam Kovacs on Unsplash

Myrna Nilsson 慘遭殺害的時候,戴著一只蘋果智慧型手錶。[1]

從智慧型手錶判讀死亡時間

Myrna 的智慧錶記錄到她人生末了的重要數據:她在返抵自家的 47 秒內開始遭受猛烈攻擊,[4]其中有短短 39 秒的長度,出現 65 次倉皇的動作,然後她的心跳就停止了。時間約莫是傍晚 6 點 41、42 分。[2, 4] 15 分鐘後, Caroline 用手機傳訊息給丈夫,還留下在臉書和 eBay 的使用紀錄。[4] 從這個時間點到她的鄰居報案,中間相差三個小時。此情形讓 Caroline 的陳述顯得不合理,因而遭檢察官起訴。[3]

從傳統手錶推測死亡時間

智慧型手錶進入人類生活已有一段時日,不過有些人仍然會戴其他類型的手錶。它們雖然不會追蹤使用者的生命徵象,但有時也能提供警方估計死亡時間的線索。以下是 2022 年《國際鑑識科學》(Forensic Science International)期刊,介紹的二個例子:

一名八旬老翁俯臥於公寓的地板上,毫無生命跡象。他最後一次被人看見還活著,已經是 5 天前的事情了,對縮小死亡時間範圍的幫助有限。死者左手戴著一只持續運作的自動機械錶,錶面顯示的時間準確無誤。此種手錶仰賴使用者手部的活動帶動發條。老翁戴的這款每次帶動之後,可以撐上 44 至 48 小時,而且它在警方展開調查後 18 小時才停止運轉。所以用 48 減掉 18 ,得知老翁或許在被發現前的 30 小時左右身亡。[9]

期刊介紹的另一起案件,死者右手戴的是太陽能石英錶。某年12月在丹麥的沼澤,有個獵人撞見一具屍骨。當下右手骨頭上的錶還在走,不過時間快了 1 小時,而日期則晚了 3 天。該國的日光節約通常始於 3 月,終於 10 月,也就是說死者的手錶在 10 月之後,沒有被調回標準時間。至於少掉的 3 天,則是因為 6、9 和 11 月都只有 30 天。若未手動跳過 31 日,手錶的日期就會在這段期間,每個月各晚 1 天。由此推估,死者可能是在 5 月 1 日到 6 月 30 日之間身亡。[9]

死亡時間與判決

死者配戴的各種手錶,留給警察辦案的線索。然而是否能破案,並將罪犯繩之以法,仍受到其他因素的影響。2016 年 Myrna Nilsson 被害身亡;2018 年她的媳婦 Caroline ,遭警方以智慧錶的紀錄為證據逮捕。[1] 2020 年在 8 週的審理後,陪審團無法達成共識。 2021 年又經歷 6 週的法律攻防, Caroline 最後被無罪釋放。[3] 而直至 2022 年的今天,警方仍未捕獲她口中,謀殺婆婆的那幾個粗工。

  

備註

  1. 筆者找到的新聞資料,好像都沒有明確解釋,事發當下 Mark Nilsson 身在何處。
  2. 有一篇報導說 Caroline 跟 Mark 給婆婆房租,一家三代同堂,她卻連自己的房間也沒有。Caroline 得跟兩個女兒睡;兒子則是和婆婆同寢。該文沒提到 Mark 睡哪。[8]

參考資料

  1. Rebecca Opie. (29 MAR 2018) ‘Smartwatch data helped police make arrest in Adelaide murder case, court hears’. ABC News.
  2. Dillon M, Carter M. (13 DEC 2021) ‘Caroline Nilsson murder trial returns hung jury over death of mother-in-law captured on an Apple Watch’. ABC News.
  3. Mahalia Carter. (26 OCT 2021) ‘Caroline Nilsson found not guilty of murdering mother-in-law after smart watch case retrial’. ABC News.
  4. Kathryn Bermingham. (15 OCT 2020) ‘Prosecutors close case against woman charged with murdering her mother-in-law in 2016’. The Weekend Australian.
  5. Mahalia Carter. (13 DEC 2021) ‘Alleged murder victim’s son was ‘matter-of-fact’ when told of death, court hears.’ ABC News.
  6. APO-Tramadol’. (01 March 2022) NPS MedicineWise
  7. Rebecca Opie. (3 MAY 2018) ‘Son of alleged murder victim Myrna Nilsson urges court to release wife on bail’. ABC News.
  8. Meagan Dillon. (13 DEC 2021) ‘Alleged killer Caroline Dela Rose Nilsson had ‘no motive’ to kill, despite financial pressures, court hears.’ ABC News.
  9. Busch JR, Hansen SH. (2022) ‘The wristwatch – A supplemental tool for determining time of death’. Forensic Science International, 335, 111283.
胡中行_96
64 篇文章 ・ 23 位粉絲
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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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?

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
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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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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

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/