國際熱核融合實驗反應爐ITER(圖:Christophe Simon/Getty)

使用核融合技術為人類提供便宜又潔淨的電力,一直是科學家的夢想。過去,專家大多推測約「50 年後」才有機會實現核融合發電。不過最近,核能物理學家變得越來越有信心,有專家甚至認為最快 2030 年就能實現核融合發電。

核融合機制與優點

核融合反應主要發生在太陽等恆星之中。當以極強大的力量將氫原子撞在一起時,其原子核克服排斥力而融合在一起,產生出將氫原子轉化為氦原子的反應,並在過程中釋放出巨大能量。

為了在核融合反應爐產生同樣的效果,離子化氣體,也就是所謂的電漿,必須經由超強磁場等人造力量進行加熱及壓縮。只要電漿能在足夠長時間下維持高溫,就可以觸發大量核融合反應並形成加成效果,也就是不斷釋放的能量會讓電漿持續維持高溫,促使反應持續進行,同時也會將能量轉化成電力使用。

核融合除了能夠提供大量乾淨的電力之外,也不會製造溫室氣體或空氣汙染;不像太陽能或風力發電,它可以持續不斷運作;不像今日的核能廠,其所產生的廢物能夠輕易被處理。而且核融合燃料是無窮無盡的,其中一個需要的原料就是大量的水,而只要一小克的氫燃料就足以提供 10 噸煤所能提供的能量。

之前面臨的難題

然而至今,核融合所面臨的難題仍是能進行反應的反應爐。1950 年代起,科學家就使用一種叫做托卡馬克(tokamak,又稱環磁機)的環狀機器,藉由磁場來累積核融合反應的電漿環境。但過去從未有人將高熱又夠稠密的電漿進行持續的反應,光是消耗的能量就遠比獲得的能量還來的多。

為了建造能長時間持續的反應爐,位於法國由 35 個國家協力合作的國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)正處於研究當中。然而,為了達到足以發電的程度,ITER 採行的方法為建造一個約 60 座足球場大小的反應爐,經濟上並不可行。

創新的技術

為了讓核融合反應爐變小且成本降低,有些科學家認為要捨棄原本的托卡馬克及其環狀線圈磁場,並重新設計反應爐,例如以雷射來撞擊電漿,或使用類似粒子加速器的儀器來壓縮電漿。不過,已經專研核融合領域多年的麻省理工學院(MIT)核子科學與工程學系教授丹尼斯·懷特(Dennis Whyte)認為,應該要重新設計托卡馬克,使其模組化並更便宜,同時引進嶄新的材料來誘發並限住核融合反應。

要如何避免托卡馬克過於龐大又不過度昂貴呢?例如,雖然反應爐內的電漿溫度高達幾百萬度,但用來壓縮電漿的磁鐵必須保持在負 200 度以下,否則磁鐵的表現會因為電阻的累積而降低。懷特教授想到利用一種超導體的膠帶,這種超導體膠帶的超導溫度比其他超導體來得高;也就是說,就算在稍微高溫的情況下也能夠避免電阻的累積,而因為花費較少的能量在冷卻上,可以稍微降低托卡馬克的運作成本。

此外,懷特教授的團隊也發現,當他們把超導膠帶纏繞於托卡馬克的銅線圈上時,能夠加倍他們施加於電漿上的磁場強度,減少電漿外洩及過度冷卻的情形。最好的是,以這種膠帶取代一般硬性的超導體能讓反應爐大小縮小到原本的 10 倍。此外,若將這種半導膠帶以具有連接點形式分段使用,則反應爐上的磁鐵可以在需要維修或更新時輕易且快速的附著與取下,如此當裝置上某個零件損壞時,就不必整個替換。

當然,需要解決的問題還不只這些。例如,電漿產生的中性粒子―中子(neutron)在長時間之下會不斷撞擊托卡馬克的內壁,改變內壁的原子結構,進而造成其衰退,這對必須長久運作的電廠不是一個好消息。另外,不斷撞擊的中子也會讓金屬產生輻射性。懷特教授正致力於找出或改進原本的解決方法。

樂觀的未來

核融合的許多挑戰除了來自逐漸增加的工程難題,另一方面就是財務面。幸好,越來越多億萬富翁投入大筆資金加入核融合發展競賽。例如,懷特教授團隊的合作夥伴 Commonwealth Fusion Systems,就獲得義大利石油製造商的投資,並從比爾·蓋茲(Bill Gates)、傑夫·貝佐斯(Jeff Bezos)等企業巨擘資助的基金會獲得至少 7500 萬美元(約台幣 23.2 億或港幣 5.9億)的資金援助。Commonwealth Fusion Systems 預計在 2025 年展示核融合的成果。

除此之外,目前至少有 10 間新創公司正試圖研發核融合的新方法。包括貝佐斯資助的 General Fusion,該公司希望能在 2022 年發展出反應爐的原型,並開始測試;英國公司「托卡馬克能源」(Tokamak Energy)也希望能在 2030 年啟用核融合電力。

這些新創公司都表示核融合不再只是科學實驗,而是已進入工程階段的產品。General Fusion 執行長克里斯多夫·莫瑞(Christofer Mowry)就樂觀表示:「我百分之百堅信核融合技術將發生。我們有可能在 2030 年前建造出商用核融合發電廠嗎?或許有可能,但絕對不會是 50 年之後。」

參考資料:

  1. Robitzski, D., (2019, Jan 4). Expert: “I’m 100 Percent Confident” Fusion Power Will Be Practical. The Futurism
  2. Bergstein, B., (2019, Jan 4). Finally, Fusion Power Is About to Become a Reality. Medium
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