核融合發電美夢何時成真？ |
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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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