核融合發電美夢何時成真?
長久以來, 科學家一直夢想能控制核融合,以取得安全、乾淨而且幾乎用之不竭的能源。這些努力正逐漸有了成果,但是,真的打造得出可運作的反應器嗎?
撰文╱穆易爾(Michael Moyer)
翻譯/甘錫安

重點提要
■氫同位素在融合時,能很快釋出巨大能量。在數十年來人類熱切追尋核融合能量的過程中,這是個重要的里程碑。
■如果能駕馭這個巨大的能量,就能藉此建造革命性的新型發電廠。
■但科學家現在發現了嚴苛的工程挑戰,可能影響未來數年內這種發電廠的建造工作。

點火的時刻越來越接近了。在這一、兩年內,美國國家點燃設施(NIF)的192道雷射光束,就要將全 部能量集中在大小不到一粒胡椒籽的小球上。這個耗時13年、耗資40億美元的雷射系統,是全世界規模最大、能量也最強的。雷射光束將會擠壓小球核心,力道 足以融合球中的氫同位素,釋放出相當於小型氫彈的龐大能量。

這件事其實以前就有人嘗試過,而且成果還不錯。但是,以往科學家使同位素融合時,經由雷射輸入的能量 往往大於核融合反應釋出的能量。這次情況就不一樣了!小球核心爆炸所釋出的能量將大於雷射輸入的能量,這個轉變的意義不只是帳面上的數字差異。理論上,我 們可以收集這些多出來的能量,把核融合裝置當做發電廠。這座發電廠不僅可取用一般海水中的成份當做燃料,而且完全不會製造空氣污染或放射性污染。這種發電 方式就好像用一顆恆星來推動地球上的無數機器,它能永遠滿足人類對能源無止境的需求。

世界上還有其他大型核融合設備也在建造中,例如位於法國南部卡達哈希村外的國際熱核實驗反應爐 (ITER)是一項耗資140億美元的工程,他們採用的引燃方式不是雷射,而是以超導磁鐵將氫同位素聚集在一起,再加熱到1億5000萬℃,這項實驗的淨 能量效益同樣可望大於零。此外,NIF的雷射系統是以間歇方式輸入能量,而ITER的磁鐵則可將電漿聚集數十甚至數百秒,持續產生能量。

人類自從進入核子時代,便熱切渴望能駕馭恆星核心進行的反應,因此這些成就將是重要的里程碑。但是製 造引發反應的火苗恐怕還算整個過程中比較容易的部份。現在越來越多資深的核融合科學家認為,建造並維持核融合發電廠運作所需面對的物理挑戰,可能比製造火 球更嚴峻。有些沒有直接參與核融合研究的物理學家則提出質疑,因為即使就理論看來,這個目標都未必能達成。可運作的反應器採用的建材必須能連續多年承受數 百萬℃的高溫,而且還會受到高能量核粒子連續撞擊,一般材料在這種情況下都會劣化變脆並受到輻射污染。同時這類反應器還必須藉由複雜的滋生過程產生核燃料 來使用。另外,要在電力網中成為有貢獻的生產成員,這類反應器還要能連續數十年穩定運轉,不能中斷、停機或發生事故。

美國德州大學奧斯丁分校核融合研究所主任赫塞汀(Richard D. Hazeltine)表示:「以往大家抱持的態度一直是:『沒錯,這些問題不大好對付,但都可以解決,我們還是專心研究核融合本身就好。』但這樣想是不對 的。」

大自然蘊藏的巨大能量

核融合(或是應該說難以產生核融合)至少從1860年代開始,就是令科學家頭痛的問題。達爾文新的天 擇演化理論曾經提到,要解釋地球上難以想像的生物多樣性,必須有長達數十億年的漸進變化。但當時英國著名物理學家湯姆森所提出的太陽年齡估計值,卻斷定太 陽的年齡只有幾千萬年。美國科普作家席夫(Charles Seife)在他2008年的著作《瓶子中的太陽》中就提到,達爾文認為湯姆森的批評是對演化論最嚴重的打擊,他只能軟弱地反駁說科學家不該太早下定論, 因為我們對宇宙定律的了解仍不夠完整。

不過達爾文說對了。直到70年後,科學家才了解太陽發光的原理;到了1930年代,科學家了解所有物 質都是由原子構成,原子核則是由帶正電的質子和電中性的中子構成(氫是唯一的例外,其原子核只有一個質子);愛因斯坦透過E=mc2公式證明質量可轉換成 能量,光譜研究也顯示,太陽並非如湯姆森假設的是一塊熔化的岩石,它大部份是氫、一小部份是氦。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2010年第100期6月號】

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