【文╱吳俊輝(台灣大學物理系暨天文物理研究所教授,劍橋大學宇宙學博士)】

 

未來可能的新能源:與星星同理的核融合。

 

近來台灣媒體及網路出現一波熱烈討論,但這在美國早已不是新聞。星星發光的能量來自核能,而人類的核電廠也是利用核能,兩者有何異同呢?真的能像《鋼鐵人》電影中的情節一樣,在家自製迷你核能反應爐嗎?

 

愛因斯坦我愛你

恆星發光和核電廠運作的能量都是來自核能,以愛因斯坦的E=mc^2為理論基礎,也就是小小的質量m乘上大大的光速平方,就能換取巨大的能量,只是我們找不到日常簡單的方法把質量直接換成能量。在已知的物理世界中,這得利用粒子的碰撞來達成,只要粒子的總質量在碰撞後小於碰撞前,那麼這些減少掉的質量m就會透過E=mc^2變成光子形式的能量,也就是我們一般指的電磁波或輻射。

這些過程牽涉到粒子「原子核」狀態(主要是質量)的改變,因此稱做「核能」。講得更精確一點,原子的結構可分為外層易剝離的電子和內層的原子核,而原子核是由質子和中子共同組成,質子和中子個數的和大致就是原子量,因此當粒子撞擊後有粒子的原子量增加時(例如兩個原子核合併為一個),我們稱之為原子核「融合」,若減少(例如一個原子核分裂為兩個),則稱之為「分裂」。無論是核融合或核分裂,通常在反應後的總質量都會減少,而少掉的質量就會轉變為光子形式的能量。

 

星星和核電廠的區別

星星主要是靠核融合來產生核能,核電廠則是利用核分裂。核融合所需的原料通常成本低(如俗稱重氫的氘,可取自海水),產生的核廢料半衰期也較短(約僅數百年,核分裂的廢料半衰期則可長達數萬年),且輻射的危害範圍小(僅數公里)。

那麼為何我們不用核融合來發電,而要用核分裂?因為當你不會騎腳踏車時只能乖乖走路,也就是目前人類的科技尚無法以經濟且安全的方式讓核融合有效發生。技術瓶頸大多在於,為了使融合發生所輸入的能量仍會大於融合後所輸出的能量,因此不能達到生產能源的目的。

由於上述核融合優於核分裂的各種好處,目前科學家正如火如荼地發展以融合為基礎的新世代安全核能,最大的跨國計畫為位在法國的「國際熱核實驗反應爐」(ITER),有歐美、亞洲等多國參與,所需經費至少五千多億台幣,預計在約2020年時開始實驗運轉,其內部溫度將高達一億度左右,粒子在這高能量的電漿中彼此撞擊時,將有機會讓輸出能量大於輸入能量。

其他還有許多成功融合的實驗,但瓶頸都是無法讓輸出能量大於輸入能量,主要是因為已知的融合機制都要求要有高溫的環境。1989年曾有兩位化學家聲稱成功發展出「冷核融合」(cold fusion),也就是找到新機制能讓粒子在室溫下就發生核融合,這讓輸出大於輸入瞬間變得非常容易,也因此激盪出上百篇學術論文,其中還包括《自然》期刊的論文。不過在不到一年的時間內,這二位化學家的實驗被證實有誤,兩人之後便黯然離開美國,雖仍獲得大筆的研究經費繼續研究,但事隔二十多年仍未成功。

 

在家自製小星星?

在現實中,迷你反應爐其實已經存在,它的概念來自於1960年代的fusor技術,也就是簡單地利用高電壓(至少約一萬伏特,皮卡丘就辦得到)將帶電粒子於真空腔中加速到高能量(相當於溫度一億度)而彼此撞擊,藉此觸發核融合。2011年美國高中生泰勒‧威爾森(Taylor Wilson)將這項設計大幅簡化,並自製偵測器證明這個簡化版的迷你儀器內部真的有核融合發生,因此獲得Intel國際科展(屬我國大學保送競賽之一,另一為奧林匹亞競賽)中的最高榮譽「青年科學家獎」,也獲得歐巴馬總統的接見,並於2012年應邀上TED演講。

此後,自製迷你核融合反應爐就在美國的中學開始風行,有不少網站開始介紹如何製作(例如《Make》雜誌網站),Intel國際科展也陸續有類似作品出現,只是鮮少獲獎,因為這項設計簡單易做門檻低,而原創作品在之前已授過獎。

這個迷你版反應爐的問題仍是輸入遠大於輸出,而且對自製者而言,最難的就是確認裡面有沒有核融合反應發生。無論有無核融合反應,儀器內部都會因粒子在電漿中加速而發出漂亮的藍光,不少人誤以為那就是來自核反應的能量,因為那個藍光和鋼鐵人胸前的反應爐藍光實在太像了!如果沒有核融合發生,那就是一顆昂貴且效能低的藍光燈泡了,切記,即使有核融合,這個反應爐所產生的核能也不會比發出的藍光強。

 

【完整內容請見BBC知識國際中文版第35期(2014年7月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

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