核融合

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总论

现代的核电厂使用的发电技术,称为「核分裂」,是利用中子撞击一颗重原子(通常为铀或钸)后,重原子会「分裂」成两颗轻的原子,并在过程中放出能量。核融合则是相反的过程,将两颗轻的原子核对撞后,形成一颗较重的原子,并在过程中放出能量。不论哪一种,能量的来源都是核反应的过程中减少的质量,透过爱老的著名公式 E=mc 转换。

核分裂技术最早在 1940 年代初试验成功,1954年苏联就有第一个核能发电厂在运转了。相较之下,核融合(亦称核聚变)技术大约在 1950年代初试验成功,但直到五十多年后的今天,仍然是个近在眼前,却构之不及的梦想。核融合技术到底是为什么这么吸引人?为什么经过这么久的研究还没有个结果?  

核融合的原理

前面说过了,核融合是将两颗轻的原子核对撞后,产生出一颗较重的原子(和其它粒子),并在过程中放出能量。这种反应是星球发光发热的主要能量来源,也是氢弹威力比核分裂弹更大的主因。

原子由带负电的电子、带正电的质子和不带电的中子所组成,质子和中子在原子的中心组成原子核,电子则在外面绕圈圈。正常情况下,同样带正电的两颗质子应该会互相排斥,但在原子核的那种超小的距离尺度下,另一种称为「核力」的力量会强过电磁力,让质子和质子(透过中子)可以黏在一起。

要把两颗原子核撞在一起(电子与核融合反应无关)是非常困难的:两颗原子核同样各自带正电,因此实际上把两个原子核撞在一起时,也会有一股相斥的电磁力必须要克服,直到两颗原子核近到核力的影响大于电磁力时,两颗原子核就会「啵」的黏在一起,核融合就发生了。  

核融合的困难

要如何克服原子核间相斥的电磁力,就是核融合至今还在实验阶段的主因。在太阳内部和氢弹这两个已知的范例中,都是靠加热反应的物质到极高的温度(太阳是因为内部的高压和持续的核融合反应,氢弹则是因为先引爆了一颗核分裂弹,使得核融合的环境能达成),使各别的原子核有足够的动能穿过电磁力的壁垒(称为库仑障壁),靠近到核力可以发挥作用的距离。

在反应炉中产生这种超级高热,以维持核融合反应的发生,是目前两种最可行的方法中,看起来比较有希望的核融合方法。利用甜甜圈型的电磁场,可以将带正电的原子核(电子因为高热已经被扯离原子核,形成电浆)封闭在反应炉环状部份的中心,并且发生反应。这种反应炉的技术挑战在于高温的维持 --理论上反应炉「点火」(提供初期的能量,直到核融合反应能发生)后,核融合反应的能量之大,应该要能在维持高温之余,还要有额外的能量供给出来。但目前为止的试验炉最高输出能量只能达到输入能量的 70%,自然无法维持核融合反应。刚开始兴建的 ITER实验反应炉预计 2018 年完工,综合了以往各反应炉的经验,预计将首度达成输出大于输入的目标,并且维特点火时间至少 400 秒。最终 ITER或许可以达成输出能量为输入能量的 5~10 倍,并点火 1000 秒,但即使如此,仍不足以商业运转 -- 要等到再下一代的 DEMO,达成输出为输入能量的 25 倍以上,才有可能做为经济的发电方式被人们利用。

另一种可行的方式,是利用激光来进行核融合,称为ICF。燃料会被做成针头大小的小弹丸,并由四面八方发射激光到这个目标上。当激光射到燃料丸的表面时,会瞬间引爆燃料丸的外壳,爆炸产生的震波如果能均匀而且同步的从弹丸的表面传到弹丸内部,就能压缩最核心的燃料到能引发核融合反应的程度。核融合反应一旦发生,连锁反应就能将燃料丸剩余的部份燃烧一空,产生大量的能量。一直以来,用这种方式进行核融合都很失败,因为引爆燃料丸需要多个激光束精确的同步点燃燃料丸,但最近在激光技术上的发展让美国对激光核融合的兴趣再度大增。即将完工的 NIF 就是第一个有会达成点火的激光式核融合反应炉,预计 2009 启用,2010 年就可以知道这种方式到底有没有前途了。下一代的系统是欧洲预计 2010 年开始兴建的 HiPER,因为使用低能量的激光,有可能为商用运转的 ICF 铺路。  

核融合的燃料

任何轻原子核理论上都能撞在一块产生能量,但原子序愈高的元素(即质子愈多),原子核间的排斥力就愈大,引燃的条件也就愈苛刻,所以大部份的研究都放在最轻的几种元素上。最有前途的燃料组合有三种,分别称为 D-T、D-D 和 p-B 反应。

D-T -> He + n

D-T反应的燃料,是氢的同位素氘(一颗质子一颗中子)和氚(一颗质子两颗中子),反应之后会产生氦、一颗中子和能量。D-T反应是目前所有核融合反应中最有前途的一个,因为它的反应温度最低,比较容易达成。两种原料中,氘是一种稳定存在于自然的物质,海里就有一大堆,但氚因为是放射性同位素,半衰期只有 12.32 年,因此自然中含量极其稀少,必需要靠锂的核滋生反应来取得。这使得 D-T反应仍然会受到锂来源的限制,但估计燃料来源至少可以撑个 5000 年没问题。D-T 反应还有一些安全上的问题,等一下会再另外说明。

D-D -> T + p

->He + n

D-D反应是拿氘和氘反应,因此燃料来源可以说是无穷无尽的。D-D反应有两种不同的反应式,一共会产生氚、氦-3(少一个中子的氦同位素)、质子和中子,当中氚还可以再和氘进行 D-T 反应。可惜和 D-T反应相比,D-D 反应需要 D-T 反应 30 倍的能量密封性(因为反应所需的温度高很多),而且产生的能量也比 D-T 反应少 68 倍。

p-B -> 3 He

p-B 反应是拿质子去撞硼最常见的同位素硼-11,产生三个氦原子核。这种反应的特色是没有中子的产生,但反应所需的温度约是氢同位素反应的十倍,产生的能量却只有氢同位素的 1/2500,因此之前提过的两种核融合反应方式,都不再适用。

核融合的危险

常有人说核融合是安全、干净的能源,其实并不尽然。核融合反应炉确实不可能发生像核分裂反应炉那样的大规模融炉和辐射外泄事件,因为发生核融合的条件实在太苛刻了。以磁场限制型核融合反应炉来说,只有磁场稍有不稳定,反应炉内的燃料就会立即丧失反应能力,反应炉也会立即熄火。可以说目前开发核融合发电的所有困难点,正是未来核融合炉使用时的保障。

但另一方面,使用的原料是不是安全,又是另一个问题了。氚之前说过了,是一种放射性物质,如果外泄到了大气中,一样会有幅射污染的危险。但还好的是,氚的半衰期只有 12 年,和核分裂原料动轧数百万年的半衰期相比,对环境来说是安全很多。

此外,核融合产生的中子因为不带电荷,因此不能被留在电场中。这些高能的中子会撞击反应炉周边的材料,久而久之,有一定的机会将周围的的材料转变成辐射废弃物(这就是为什么 p-B 反应也在研究之列的原因)。  

无中子核融合

D + He ->He + p

这就是先前提到的氘+氦3 -> 氦4 +质子的反应。质子带正电,所以会被限制在电磁场内,不会四处乱轰炸周围的材质,氘、氦3 和氦4也都是无幅射的物质,所以看起来很干净。可惜的是,因为氘-氦3 反应的温度比 D-D 反应高,所以做为氘-氦3反应原料的氘会有一部份自行先进行融合,放出中子。这个比例可以控制在几个百分点内,但却不能完全根除,所以其实氘+氦3 反应并不是完全干净的。

但终究它是比单纯的 D-D 反应或 D-T反应要干净多了,而且还有几个额外的好处:首先,它反应产生的质子可以用非热力的方式发电,能量转换效率可能达到 70%(以热推动蒸汽机最高约35%)。其次它产生的能量还不错,以 100% 的能量转换效率之下,6g 的氦3 和相对应量的氘反应,可以产生约 1000 MW-h的能量。最后,它需要的反应条件虽然高出其它几种无中子核融合甚多,但还在发展中的磁力型和激光型核融合反应炉的能力之内,或许不用像 p-B 反应那样还要发展新技术。因此许多人认为这是个不错的第二代技术,在真正的无中子核融合出现前垫一下档。

氦3 从哪来?

氦3 的来源有几个。地球上的自然氦3少得可怜,地壳中含有的氦本来就不多,而氦3则大约只占氦总量的五十万分,直接从土里开采根本不合算。天然气中也有氦,而且其中氦3占的比例比较高,但就算全美国的天然气储存加起来,或许里头只有 10~100kg,可能供应一座 1000 MW的发电厂运转一年都不够(24hr x 365 天 x 6g x 1.42 约等于 75公斤)。因此想要取得氦3只能用人造的,或是寻求地球以外的来源。

人造的方法,就是等待氚自然衰变,或是用中子轰炸锂、硼、氮等元素。然而,当初改用氦3,就是为了避免使用氚的危险,这下子又绕回来了,何苦呢?何况氚的来源也不是那么丰富。至于用高能中子轰炸元素,除了过程本身会耗去大量的能量外,又会产生一堆受到中子轰炸而产生的幅射废弃物,所以人造这条路似乎也不是很可行。

最后,只好前往外层空间挖啦。月球是首选(!),因为月球表面累积有数十亿来随着太阳风而来的氦3 ,含量高的地方每 100 吨里可能有 15g(15 ppb),存量少的地方则可能只有3g。但因为整个月表都有,所以可开采的总存量大约在 250 万吨之普,够地球人用很久,很久,很久。但是以目前的技术上月球开采并不实际 --太贵,也太大工程了。更进一步的可能性,是前往太阳系里的大号行星 -- 木星、土星等开采,不仅含量更高,开采也更容易。只是要将氦3从重力井中拉出来要大量的能量,也不一定符合经济效益。  

几种无中子核融合反应

除了氘 - 氦3反应之外,还有许多种其它的无中子核融合反应,但大多都有各式各样的困难。如果能以氘 - 氦3反应为跳板,取得稳定的氦3 来源的话,那 He+He -> He + 2p 是很合理的下一步。这个反应有 氘 - 氦3 反应的所有优点,而又没有氘 - 氦3 放出中子的缺点。另一种可能的反应是两个反应的连锁,分别是 p+Li ->He + He 和 He + Li -> 2He + p。总合下来两个反应会消耗 Li、产生 He,但科学家的计算是即使两个反应互相提供原料给对方,对减低反应所需温度的帮助还是有限,所以恐怕也是此路不通。

最后有两种质子和较重的原子核的反应 p+Li -> 2 He 和 p+B -> 3He。两相比较,前者的排斥力比较小,但后者的目标比较大,比较容易被质子命中,最后算下来还是后者比较容易(所以在第一篇是这写这个)。只是这个「比较容易」完全是相对而言的,和 D-T 反应比起来,p-B 反应需要的能量太高了,光温度估计就要摄氏 66 亿度,约是 D-T 反应的十倍。而且,以产生的能量来算,p-B 反应只有 D-T 的 1/3,所以要让反应能持续进行,势必要更好的能量保存机制,现有的磁力限制和激光压缩式核融合会让太多能量以废热和高能射线的形式散去,因此不足以进行 p-B 反应。要达到完全干净的核融合还真是困难啊!

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