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核融合电能何时能商业运转? (一)—核融合反应炉的工程挑战

核融合的低放射性污染与发电效能,比核分裂更具吸引力。图为核四反应炉一景。

 
原子是以原子核中的带正电质子的数目来决定原子序的。原子核中除了质子外,还有数量大致相仿的中子,这些质子与中子以强作用力(strong interaction)束缚在一起,这就是核结合能(nuclear binding energy)。 
 
核结合能的物理基础强作用力,在短距离内比化学作用的物理基础电磁作用强100倍,因此核反应的能量远大于化学作用的能量。 
 
铁(原子序26)的同位素群与镍(原子序28)是元素中平均核结合能最高的,也就是最稳定的元素。以铁同位素群为例,核结合能可以高达8.8百万电子伏特(MeV)。物理驱使物质转变成较稳定的结构,所以原子序比铁高的原子就会透过核分裂(nuclear fission)转变成较小的原子;而分子序较小的原子则倾向透过核融合(nuclear fusion)转变成原子序较高的原子。前者已应用于现今的核能发电,而后者就是目前全世界研发开始升温的核融合发电。 
 
核融合为什麽比核分裂更具吸引力呢?

第一个原因是核融合的过程及其废料有较低的幅射性。第二个原因是如果核融合反应炉无法正常运作,它不会如核分裂反应炉因连锁反应(chain reaction),导致核反应炉融毁(nuclear reactor meltdown)而近乎无法收拾。核融合反应炉无法正常运作时,核融合反应停了就停了。另外还有个原因是核融合反应的原料,近乎取之不竭、用之不尽。 
 
最常使用的核融合反应的原料是氘(Deuterium)和氚(Tritium),二者都是氢的同位素,也就是说和氢原子一样,每个原子核都含有一个质子,但是氘和氚的原子核还分别具有1个和2个中子。使用氘和氚当成核融合反应原料的原因是它的散射截面(scattering cross section)—也就是核融合反应发生的机率最大,所释出的能量最多,高达17.6MeV。 
 
氘在自然中稳定存在,可以从海水中提取。但是氚具有放射性,而且半衰期很短,只有12.3年,自然界中只存有30~40kg,所以核融合反应炉必须在反应的过程中自己产生足够的氚,以维持连续的核融合反应。这是核融合反应炉设计时必须考虑的因素之一。 
 
核融合反应时需要较高的温度,氘和氚在此环境下以离子的形态存在,也就是氘和氚中的原子核和电子是分离的,这就是电浆态(plasma)。氘离子和氚离子都带有一个正电荷,它们之间存有库仑排斥力。这就解释为什麽氘和氚被选为核融合反应原料的原因:其排斥力最小,但是原子核较大,较容易碰撞,而且碰撞机率高。 
 
要克服电磁互斥力让氘离子和氚离子进行核融合反应必须符合一定的条件。基本上要离子的密度、温度和其能量约束时间(energy confinement time)的乘积大于一定数值,这是核融合反应炉能维持稳定运作的条件,术语叫「点火」(ignition)。 
 
能持续维持核融合反应的温度大概在10~20keV之间,约等于8,000万度到1.6亿度之间,这比太阳核心的温度还高。要维持这样高的温度,以及高的离子密度,必须把离子束缚在一个有限的空间中,这就是核融合最核心的工程问题之一:约束(confinement)。

约束的方法比较多的是用磁场(Magnetic Confinement Fusion;MCF)来约束离子的行径;另一个是靠惯性(Inertial Confinement Fusion;ICF),利用震波(shock wave)来压缩及点燃离子;还有二者的混合形态MTF(Magnetized Target Fusion)。为了提高磁场,高温超导(High Temperature Superconducting;HTS)胶带被用于磁约束核融合反应炉上。
 
由于离子的集体形态电浆比较接近液体,而处于特殊状况的液体会产生较为激烈的行径,譬如扰流(turbulence)。离子的稳定性一直是核融合反应炉的一个工程挑战。 
 
氘离子和氚离子反应后产生氦离子(即是阿尔法粒子)和中子,其中氦离子擕带核融合约5分之1能量,之后转移能量让原料能维持在高温、可以持续核融合反应。但是氦离子得想法排掉,避免影响后续核融合反应的发生。 
 
中子以动能的形式携带约5分之4的核融合能量,这是核融合反应炉产生能源的主要形态。中子不带电,不受磁场束缚,会四向逃逸。想利用它的动能转化成一般涡轮机可以使用的能量,得用防护墙先拦着,将其转化成热能。 
 
另外由于前述的原因,氚必须在核融合反应炉中自己产生,防护墙上得覆盖含锂元素的繁殖毡(breeding blanket)。当中子撞击到锂时,会产生氚。中子在整个核融合过程中可能会消耗、流失掉一部分,繁殖毡上还必须加入铍或铅元素。当中子撞击到这些元素之后,会产生2个中子,这样中子的数目就得以增加,让核融合反应炉中的氚得以持续补充,维持反应炉的持续运作。 
 
这大概就是主流的氘-氚磁约束核融合反应炉所需面临的主要工程挑战。 

 

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任谘询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。