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環保、核安問題與能源危機有解?──談核融合發電 熱門指數 : 552
作者: hwh
中文名稱: 環保、核安問題與能源危機有解?──談核融合發電 
關鍵字: 核融合, 核融合發電, fusion, fusion energy

    目前核電廠用來發電的核能是頗具爭議的能源:高階核廢料的處理和儲存問題一直為人所詬病,在美國、蘇聯和日本發生的數起重大核電廠事故,更加深民眾對核能安全的疑慮,阻礙核能發電的推廣。「可再生能源」(如太陽能)發電的產能有限且成本偏高,以致無法全面取代化石燃料發電(如煤)。能源需求與環境汙染似乎很難找到平衡點。
  地球有限的化石燃料資源終有枯竭時,其造成的汙染亦難排除,人類勢必要找到一種環保、安全、含量豐富的能源,以確保文明的持續發展,而由核融合反應產生的另類核能,或許能成為最佳的選擇之一。甚麼是核融合能源?如何利用它來發電?它與現今的核能發電和燃煤發電又有何不同之處?
圖一:物質中蘊藏著能量。(圖片來源:筆者繪)
  物質中藏有哪些能量?
  由原子組成的物質蘊藏著令人意想不到的能量:帶電體間的庫倫吸引力使電子繞著正電原子核運行,原子便因電子的動能和位能而形成特定的「原子能階」(如同重力讓運行中的衛星具有位能);原子核內的核子(中子和質子)透過強核力(比庫倫力強的近距離吸引力),克服正電質子間的庫倫排斥力而凝聚,使原子核也擁有特定的「核能階」(好比受壓縮的彈簧具有彈性位能,強核力是施壓的力,而庫倫力是向外伸張的力)。能階高於基態的不穩定原子或原子核會發出輻射,或者透過核分裂而釋放能量,直到能階返回基態;相鄰的原子則透過庫倫力,共享電子而形成「化學鍵」,結合成分子,凝聚成物質(圖一)。
  能量便是以質量(愛因斯坦的E = mc2,能量等於質量乘光速平方)、能階和化學鍵能的形式儲存於物質中。
圖二:發電廠產生蒸氣,驅動渦輪機旋轉,推動發電機發電。(圖片來源:筆者繪)
  如何釋出物質中的能量?
  物質經過化學反應(化石燃料電廠)、核分裂反應(核電廠)或核融合反應釋放出能量,加熱液體,產生蒸氣,驅動渦輪機旋轉,推動發電機發電(圖二)。
圖三:物質經過化學反應(化石燃料電廠)、核分裂反應(核電廠)或核融合反應釋放出能量。(圖片來源:筆者繪)
    化石燃料燃燒(氧化反應)後總質量不變,但原子重新組合成不同的物質,導致總「化學鍵能」減少,這消失的化學鍵能便是熱能的來源,例如:煤中的碳燃燒氧化後,變成二氧化碳,並釋放熱能(圖三a)。
  現今核電廠大多以濃縮鈾為燃料,透過核分裂反應取得熱能。核燃料棒內的鈾-235吸收一個中子後,分裂成兩個不穩定的放射性元素(原子核處於激發態的分裂產物),並發射2或3個中子和伽瑪射線。在分裂過程中,除了核能階狀態的變化,部分質量更轉化成能量。有些分裂產物的半衰期 (輻射強度衰減至原來一半的時間)甚長,持續發出輻射,直到其原子核返回基態,使「用過燃料棒」成了高階放射性核廢料,反應爐機組也因中子的活化而產生半衰期較短的放射性物質(圖三b)。
    相反地,核融合乃是利用外力(如高溫、高壓、電場加速),使兩個原子核碰撞而融合成另一個元素。只要此元素比鐵-56輕,部分質量也會像核分裂一樣,轉變成能量。因為粒子的動能(移動速度)隨溫度升高而增加,假如溫度夠高,相互碰撞的兩原子核便有足夠的動能抵抗庫倫排斥力,能靠得非常近而引發強核力,最後融合為一體。然而溫度一旦升高,粒子就更容易向外擴散,降低相互碰撞的機會;原子核若無法相互碰撞,縱使溫度再高,也無法融合,因此必須施予足夠的壓力,將高溫下的原子核侷限於固定範圍的區域內。
  例如:太陽因為具大質量的重力壓縮,在核心形成高壓和高溫的環境,使氫(H-1)經過一系列的核融合反應,最後變成氦,持續供應讓太陽發出光和熱的能量。氫彈藉著核分裂連鎖反應,瞬間產生高溫和高壓,將氘(H-2)和氚(H-3)融合成氦(He-4),並產生一個中子,而減少的質量則變成氦和中子的動能(圖三c)。
  核反應釋放出的能量為化學反應的數百萬倍,而且就每單位重的燃料而言,核融合產生的能量比核分裂高出甚多。 一座1000百萬瓦的火力發電廠每年消耗270萬噸煤,但每年250公斤的核融合燃料(氘和氚各半)就能達到相同的發電量。
圖四:主要由甜甜圈狀的環磁機(tokamak)構成的核融合反應器。(圖片來源:筆者繪)
  如何利用核融合反應器發電?
  製造一個人為、可控制的核融合環境,挑戰度極高;太陽核心溫度約攝氏一千五百萬度,壓力超過二千億大氣壓,而氫彈爆炸所引發的,是無法控制的核融合(瞬間就消耗掉所有燃料,所以可怕),其溫度更高達攝氏一億度。
  六十多年來,研究人員一直朝著核融合發電(可控制的人造太陽,亦即在穩定速率下消耗燃料)的目標邁進,而甜甜圈狀的環磁機(tokamak)是兩種大規模研究中的核融合反應器之一,例如:正於法國建造中,由多國合作、設計的「國際熱核實驗反應器」(ITER)便是以環磁機為反應器主體,氘和氚混合的氣體為燃料,預計於2025年完工。
  從運作原理的角度來看,ITER的環磁機基本上是由功能類似於電磁爐、微波爐和吹風機的加熱裝置、超導電磁鐵和不銹鋼真空室構成的核融合反應器(圖四),旨在利用攝氏1.5億度高溫(10倍太陽核心的溫度),將真空室內的氣體燃料電漿化(電子因高溫振動,擺脫了原子核的吸引而分離),變成負電子和正離子氣體,再經由電磁鐵產生的磁場,將其運動的範圍侷限於環磁機內部(帶電粒子因磁力而轉彎,所以不會撞向內壁而損失動能),使氘和氚原子核融合成氦。
    如圖四,超導電磁鐵在接通極強的電流後(用超導體才不會因電流太高而損失太多能量),會沿著環磁機產生比地球磁場強一萬倍的磁場,並在氣體燃料中引發感應電流,將其加熱(如同電磁爐產生的磁場在鍋底引起的感應電流)。然而此熱能不足以讓氣體燃料的溫度到達攝氏1.5億度,還必須藉助於外部輔助加熱源:「中性射束注入器」將不帶電的高能氘原子,順著切線的方向射入電漿中(宛如吹風機吹出的高能空氣分子),經由碰撞將能量轉移給電漿。「無線電波共振加熱器」則透過環磁機內的天線,發出使電子和離子共振的無線電波,就像微波爐加熱食物般,將電漿加熱。
  在適當的磁場和溫度下,燃料電漿變成「燃燒的電漿」,融合反應所釋放的能量不僅可維持電漿的溫度(就像燃燒中的煤釋放的熱使煤能持續燃燒,因此可關掉外部輔助加熱源),還能輸出熱能,以供發電。氘和氚融合反應釋放的能量中有80%變成中子的動能,中子因不帶電,不受磁場影響,射入環磁機內層有水流通的「保護層」(用來屏蔽高溫和中子,保護不銹鋼和電磁鐵),中子的動能被轉化為熱能,將水加熱,用於發電。
圖五:利用核融合反應本身產生的中子,來生產所需的氚。(圖片來源:筆者繪)
  權衡核融合發電的利弊得失
  核融合反應不會產生引起酸雨和溫室效應的氣體,更沒有高階核廢料的麻煩,氘可從海水中分離(天然氫中H-1佔99.98%,氘佔0.02%),而氚則由鋰元素經中子照射而得(鋰是製造電池的源料之一),燃料來源充足。ITER將要進行的一項實驗便是利用核融合反應本身產生的中子,來生產所需的氚,使燃料來源更不受限制(圖五)。
  核融合反應器的安全性極高,因為燃料是以連續的方式添加,環磁機內只含有數克的燃料(核分裂反應爐內裝有數年用量的燃料),既使機組出狀況,不適當的溫度和磁場也將使核融合反應無法進行。然而,氚是對人體有害的放射性氣體,雖然半衰期只有12.5年,可能排放至大氣中的含量極微,但也是必須重視的問題。由於中子的活化,反應器在除役時,將面臨類似核分裂反應爐的中、低階核廢料問題,所幸我們已有許多反應爐除役的經驗。
  民眾是否能在斟酌上述的利弊得失後,接受未來的核融合發電廠?因為大眾的疑慮一日不除,電廠便無法順利興建,核能縱有百般優點亦無用處。
老師文章總評: 架構清晰解說清楚。圖片繪製十分用心,尤其具備解釋功能。是一篇很具有議題性的科普文章。  
建議項目: 接受  
 
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