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未來燃料(一)世上最大核融合計畫面臨關鍵時刻

位於普羅旺斯卡達拉舍所進行的伊特計畫正在進行一次高達一百萬個組成粒子的反應實驗。經過兩年的工期延宕、巨額經費追加之後,預定工程終於在近期重新啟動
 
 
 
法國南部普羅旺斯省卡達拉舍的國際熱核實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)計畫中,反應爐約一百萬個組件中的第一個正在進行交貨。
 
經過長期延宕及巨額經費增加之紛擾後,目前的工程約晚了兩年。為了配合遲到的關鍵組件,還得變更主建築的結構設計。

研究機構的副主任大衛坎貝爾(David Campbell)告訴英國廣播公司新聞說:「不容諱言,情況實在令人沮喪,但我們現在正盡全力彌補所浪費的時間。這個計畫真令人振奮,讓你充滿幹勁的去做,我們都等不及看到核融合反應成功的那一天。渡過初期的設計問題及早期的協調困難,我們現在更有信心在期限內完成計畫了!」

從50年代起,核融合提供了一個無限能源的夢想-師法於供應太陽大火球能量的程序,就是以兩個氫作為燃料。最具吸引力的是結合了便宜的燃料氫、低輻射廢料及不釋出溫室氣體等優點。但是,如何操作核融合的極端條件,還有如何從反應中把龐大的能量提取出來,都仍然是技術上的具大挑戰。事實上,就因為核融合的技術太困難,讓這個概念已經「紙上談兵」了30多年。

現在ITER反應爐終於要把這個構想實踐了!這個萬眾矚目的設備叫做託卡馬克(tokamak),它的基本結構是取材於英國牛津什爾的JET計畫 (Joint European Torus, JET)裡的設計。他們的計畫是加熱電漿到攝氏二億度-這個溫度足以迫使氘和氚原子融合,並且釋放出能量。這整個過程都會在巨大環型磁場裡運作,這是唯一可以容納極端高溫的方法。在JET計畫裡他們是用多次瞬間爆發完成核融合反應,這種設計所產生的能量會低於送入者。不過ITER計畫是個前所未見的龐大裝置,它可以產生5億瓦特-是投入能量的10倍!

ITER計畫在科學上及政治上都極具份量,其成員國涵蓋了全球人口一半以上-其中歐盟負責此計畫超過一半的經費支出,其他還有中國、印度、日本、俄羅斯、南韓和美國。各國貢獻是以「實物」計,而非僅以現金計,例如歐盟提供的建築物及內部設備,其價格無以計算,粗估其全部預算可達150億歐元!

雖然有這麼多國家通力合作,但ITER的新建案早期仍是遇到許多糾紛,導致延宕多時。雖然每個合作國家都在國內設立專門辦事處來處理ITER的各項事務,但關稅的問題還是讓國家間紛擾不休。合作國家的生產基地也因為這些糾紛而耽誤進度。除關稅問題外,所有製造的設備組件都必須經過極度高規格的檢驗。從ITER和法國核能安全管制機構來的審查員必須直接與各個製造公司交涉洽談。這常常導致重要原件雖已訂好交貨時間,卻遲遲無法送到ITER。託卡馬克所在的主大樓還為了遲交問題特別在建築物上留了一道開口,讓原件抵達時可以直接就位,不需經過太多波折。

雖然一切都已經比原定計畫晚了,但還要考慮到原件從港口運送至基地這段路程的負重力,必須確保其承載能力要達600噸以上才行。而這些護送隊的測試,也因為計畫延宕,也從今年一月順延到九月了。其實在原定時程裡,第一批電漿早在2005年左右就應該送抵了。在經過重重難關後,他們重新訂出完成期限-2020年11月。管理人說他們會加倍運輸工具的數量來加快步調,不過即使如此要在2021年完成都還是一項挑戰。

協調組裝反應爐的負責人,肯布萊克勒(Ken Blackler)說:「我們這回是來真的!我們已經克服了很多技術問題,2020的時限變得更加明確而不再只是空口說白話。雖然計畫非常複雜,但很多組件都已經在全球各地製造完成,只等著被運送到這。目前要處理的關鍵問題就是-如何協調它們按照順序一件一件送達而且正確地被安裝到設備上。」
 
指揮和管理

首要問題是主要原件送達的順序,那麼其次的問題就落在元件本身是否符合高品質以利系統順利運作。包含電漿的巨大環型磁場是由28個磁鐵構成,它們還會在嚴格控管下備精密加工。每一個部分都會仔細的焊接聯合在一起,以確保整個結構體為真空狀態-不會造成電漿外洩。任何微小疏漏都可能危害整個ITER計畫。
既然一開始就宣稱ITER可以生產出比投入還要具大的能量,那麼下一步就是公開向全球合作夥伴們展示它的威力,順利產生能源嗎?但諷刺的是,就因為要實行的計畫有多麼的偉大,那遇到的挑戰也會是多麼的巨大!

2012年9月在比利時舉行的會議,編輯大衛舒克曼(David Shukman)詢問與會的專家小組:「究竟核融合反應爐會在多久以後,它的運作才可以符合經濟價值?」有少部分的專家表示在40年內可以實行,但絕大多數的專家都認為要再50甚至60年才有可能做到。專家的意見顯示,或許核融合大夢在現今正處於前所未見的奮起狀態,但是要把夢化為現實,我們至少還有30年要等。本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿/2013年11月

責任編輯:王文竹|淡江大學化學系
 
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