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托克馬克反應爐:地球上創造的人造太陽——成功大學電漿所向克強教授專訪

110/07/28 瀏覽次數 33036

隨著工業發展,人類對能源的需求日益升高,然而傳統能源多仰賴地殼深處的化石燃料,資源不僅有限還會對環境造成嚴重汙染,為了解決能源危機,數十年來科學家一直在尋找新的替代能源,這種能源必須乾淨、安全,同時還得足以應付人類對能源的需求,但這種終極能源真的存在嗎?

如果你覺得難以想像,不妨抬頭看看天空吧。

恆星內部一直都在持續進行核融合過程,以太陽核心為例,氫原子核在高溫高壓下不斷相互碰撞融合成更重的氦原子,過程中的質量虧損帶來巨大的能量釋放.這些能量也成為太陽能夠持續發光發熱的來源。

太陽

恆星內部持續進行核融合反應。圖/pixabay

自二戰結束以來,模仿恆星核心熱融合作為地球上能量來源的想法一直存在,但如何實現遠比想像中更為困難,光是尋找適合融合反應的材料、理解混沌的熱電漿行為便已耗費數十年,地球上的人造太陽該放在什麼樣的裝置內也是一門大問題,而托克馬克(Tokamak)便是科學家目前找出的最佳解答。

什麼是托克馬克反應爐?

核融合電漿拘限理論專家、成功大學電漿所教授向克強指出,在核融合研究初期,各國科學家曾對約束裝置有許多不同想法,但這些都在蘇聯 1968 年公布托克馬克數據後有所轉變,由於托克馬克得出的結果遠優於當時所有設計近 10 倍,這也使得各國幾乎是在一夕之間拋下原本的設計轉而投入托克馬克懷抱中。

在缺乏恆星內部引力等環境下,實驗室中打造可實用核融合反應爐的溫度需求遠比太陽核心更高,以目前第一代燃料氘(D)和氚(T)為例,需求溫度為 1.5 億°C,約是太陽核心溫度的 10 倍。除了極高的溫度,科學家還必須設法約束、維持電漿的穩定性,創造適當環境讓電漿粒子能產生核融合反應。

這也正是托克馬克所具備的一切。從外觀來看,托克馬克就像一個甜甜圈,環形管道相連與抽氣系統形成真空室,管道外層纏繞著一圈一圈的超導磁鐵,透過環形電漿電流與線圈電流產生磁場約束內部的電漿粒子不會因接觸管道失去能量,去除終端損失來提升能源產生效益。

托克馬克反應爐

托克馬克反應爐內部構造。圖/wikimedia

向克強解釋,核融合研究最主要的目的是證明 Q 值(融合能量增益因子)能大於 1,即輸出核融合反應的能量比維持核融合反應的外加能量更多,才能確認真的能用來作為發電使用。有趣的是,核融合研究的進步速度其實與半導體領域的摩爾定律很相似。大約每隔兩年便會增長一倍,近年最新得出的結果已經相當接近最初 Q=1 的目標。

「如果從 1932 年第一個核融合小實驗算起,人們已經走了將近一個世紀,每幾年邁出一步,如今終於要跨越 1 的目標,一旦能證明 Q 可以大於 1 甚至達到 10,將會是足以得到諾貝爾獎的成就。」

由多國合作參與、鄰近法國南部普羅旺斯的 ITER(國際熱核融合實驗反應爐)正是承載著這樣的希望在準備進行實驗。與傳統發電廠目的不同,ITER 目標並非生產能源提供使用,而是證明核融合發電已經能從電漿物理實驗研究走入實用階段。目前 ITER 已經完成初步建設,預計將於 2025 年展開首次電漿測試、2035 年進行氘氚融合實驗。最終目標是使用維繫設備運作必須的 50 MW 輸入功率產生約 500 MW 的能量,並讓核融合反應至少維持 400 秒,證明 Q 能夠大於等於 10,提供核融合發電商轉可行性的科學證據。

核融合發電與核能發電差異?人造太陽安全嗎?

談到核,許多人第一時間想到的可能是現行的核能發電,然而核能與核融合能可說是完全不同的兩回事。目前的核能發電採用均為核分裂技術,發電核心仰賴使用如鈾般的重元素分裂後形成連鎖反應來釋放能量,儘管能提供大量能源,但也會產生半衰期動輒數萬年的核廢料,長期儲存問題及對環境造成的汙染也是最為人詬病之處。

相較之下,托克馬克採用的是核融合技術,透過設置適當的環境,促使二個輕原子核相互融合產生能量。以目前用來反應的氘氚為例,氘可以從海水中提取,而氚雖然由宇宙射線產生,在自然界中極其稀微,但同樣可以從鋰和中子的反應中產生,融合過程產生的放射性產物半衰期頂多只有 1、200 年.向克強也提及國外最新研究指出,透過重複使用產物,理想中甚至就像醫院的放射性廢棄物一樣處置即可,更別提未來還可能找到更適合的第二代、第三代燃料,廢棄物的放射性還可能更加降低。

核融合反應

核融合反應,氘-氚的核融合反應產生氦與中子,期間釋放出的核能。圖/wikimedia

在安全性上,由於維持核融合反應需不斷的添加燃料,並不像核分裂會自主產生連鎖反應,一旦系統停止運作內部的融合反應也會立即停止,不會發生如傳統核電廠般爐心熔毀導致輻射外洩等無法控制狀況,建造不需要大片土地,零件製造上也比太陽能製造過程更為環保,加上運作過程沒有任何碳排放且只會產生少量的放射性廢棄物,可以說核融合對環境相對友善之餘又可滿足能源要求,與核能相比,應該是更容易被社會所接受的能源來源。

向克強認為,討論核融合最重要的一點,便是去了解「核融合與非核家園的願景並不衝突」。這不僅是單方面的說詞,許多國家都有著同樣想法,以同樣主張非核家園的德國為例,除了是 經由歐盟參與ITER的主要參與國之一,德國國內更有托克馬克和仿星器 W7X 兩大核融合反應裝置,在核融合研究投資上絲毫不手軟,鄰近台灣的韓國也在國內自力建造被稱為韓國太陽的 KSTAR托克馬克並參與ITER,甚至直接標榜核融合為「綠能」。

終極綠能的未來

由於托克馬克帶來的能源願景十分遠大,除了 ITER 的環形托克馬克形式,目前國際新型態的圓形托克馬克也展現出不同方向的發展潛力,向克強透露,許多先進國家早已有長遠的核融合發展計劃,除了參與 ITER,歐盟、美國、中國、日本、韓國自家的托克馬克研究項目也都在持續進行,「就像所有科學研究一樣,彼此間是合作也是競爭關係,大家都已經開始考慮 ITER 之後該做些什麼。」

所有人都想打造人造太陽來解決國內能源問題,但我們似乎忘記了什麼重要的事情。

目前 ITER 約有多達 35 個國家參與,歐美民間也有一些企業正積極投資,就連泰國、哥斯大黎加也都了解到核融合對未來的重要性.開始投入大筆資源進行核融合研究,許多國家甚至開始規劃在 2050 年前後建造示範性核融合電廠,相較之下,台灣目前僅有極小規模的研究能量,向克強形容,現在的情況就像是國際上有一場關於乾淨能源的盛宴,唯獨台灣沒有參與其中。

事實上作為缺乏天然資源的亞洲國家,理應更迫切期待更好的能源來源出現,向克強指出,過去印度推廣核融合的專家訪台演講時,就曾直接表示印度的生活水準若要提升至與歐美國家相仿,核融合將是為未來「唯一選項」,從國內核電廠造價來看,台灣其實也具備國力發展核融合電廠,現在最重要的是盡早在現有基礎上投入更多先端研究,同時培養相關人才,才能在未來能源變革上與世界接軌,「我們已經落後許多,現今必須竭力趕上。」

回憶起投入核融合研究的契機,向克強笑著表示,他依稀記得 1969 年仍就讀高中時,剛成立不久的徐氏基金會曾舉辦一場科普演講,邀請到剛參訪美國相關機構的大學教授談論核融合,講者在最後說了這樣一段話:也許,根本沒有任何人了解核融合,就是這樣一段話提起他的興趣,往後數十年間一頭栽入核融合能源領域研究中。如今向克強不僅是核融合電漿拘限理論的專家,更是國內托克馬克反應爐理論的少數研究者之一,帶著曾於美國橡樹嶺國家實驗室、韓國、日本核融合研究中心擔任教授或科學家的經歷,目前也持續在成大電漿所投入國內與國際合作研究,協助建立核融合能源及電漿科學研究團隊。

向克強表示,他也是後來才發現 1969 年正好是托克馬克開始被各國重視的年代。「如果當年沒有去參加那場演講,也許我今天就是在其他領域進行研究,只能說人生有很奇妙的對稱性。現在到我這個年紀也開始要為大眾科普貢獻綿薄之力,希望同樣能帶給一些人正面影響。」

50 年過去,人們現在對核融合的理解已經更為深入,掌握了許多當初不清楚的環節,然而核融合發電的研究仍在持續,ITER 的氘氚實驗至 2035 年才開始,發電廠設計還有更長遠的路要走,人才培育需要數十年的時間,如果現在起步,或許這樣的對稱性仍可持續延續下去。

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