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核融合電能何時能商業運轉? (一)—核融合反應爐的工程挑戰

核融合的低放射性汙染與發電效能,比核分裂更具吸引力。圖為核四反應爐一景。

 
原子是以原子核中的帶正電質子的數目來決定原子序的。原子核中除了質子外,還有數量大致相仿的中子,這些質子與中子以強作用力(strong interaction)束縛在一起,這就是核結合能(nuclear binding energy)。 
 
核結合能的物理基礎強作用力,在短距離內比化學作用的物理基礎電磁作用強100倍,因此核反應的能量遠大於化學作用的能量。 
 
鐵(原子序26)的同位素群與鎳(原子序28)是元素中平均核結合能最高的,也就是最穩定的元素。以鐵同位素群為例,核結合能可以高達8.8百萬電子伏特(MeV)。物理驅使物質轉變成較穩定的結構,所以原子序比鐵高的原子就會透過核分裂(nuclear fission)轉變成較小的原子;而分子序較小的原子則傾向透過核融合(nuclear fusion)轉變成原子序較高的原子。前者已應用於現今的核能發電,而後者就是目前全世界研發開始升溫的核融合發電。 
 
核融合為什麼比核分裂更具吸引力呢?

第一個原因是核融合的過程及其廢料有較低的幅射性。第二個原因是如果核融合反應爐無法正常運作,它不會如核分裂反應爐因連鎖反應(chain reaction),導致核反應爐融毀(nuclear reactor meltdown)而近乎無法收拾。核融合反應爐無法正常運作時,核融合反應停了就停了。另外還有個原因是核融合反應的原料,近乎取之不竭、用之不盡。 
 
最常使用的核融合反應的原料是氘(Deuterium)和氚(Tritium),二者都是氫的同位素,也就是說和氫原子一樣,每個原子核都含有一個質子,但是氘和氚的原子核還分別具有1個和2個中子。使用氘和氚當成核融合反應原料的原因是它的散射截面(scattering cross section)—也就是核融合反應發生的機率最大,所釋出的能量最多,高達17.6MeV。 
 
氘在自然中穩定存在,可以從海水中提取。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,所以核融合反應爐必須在反應的過程中自己產生足夠的氚,以維持連續的核融合反應。這是核融合反應爐設計時必須考慮的因素之一。 
 
核融合反應時需要較高的溫度,氘和氚在此環境下以離子的形態存在,也就是氘和氚中的原子核和電子是分離的,這就是電漿態(plasma)。氘離子和氚離子都帶有一個正電荷,它們之間存有庫侖排斥力。這就解釋為什麼氘和氚被選為核融合反應原料的原因:其排斥力最小,但是原子核較大,較容易碰撞,而且碰撞機率高。 
 
要克服電磁互斥力讓氘離子和氚離子進行核融合反應必須符合一定的條件。基本上要離子的密度、溫度和其能量約束時間(energy confinement time)的乘積大於一定數值,這是核融合反應爐能維持穩定運作的條件,術語叫「點火」(ignition)。 
 
能持續維持核融合反應的溫度大概在10~20keV之間,約等於8,000萬度到1.6億度之間,這比太陽核心的溫度還高。要維持這樣高的溫度,以及高的離子密度,必須把離子束縛在一個有限的空間中,這就是核融合最核心的工程問題之一:約束(confinement)。

約束的方法比較多的是用磁場(Magnetic Confinement Fusion;MCF)來約束離子的行徑;另一個是靠慣性(Inertial Confinement Fusion;ICF),利用震波(shock wave)來壓縮及點燃離子;還有二者的混合形態MTF(Magnetized Target Fusion)。為了提高磁場,高溫超導(High Temperature Superconducting;HTS)膠帶被用於磁約束核融合反應爐上。
 
由於離子的集體形態電漿比較接近液體,而處於特殊狀況的液體會產生較為激烈的行徑,譬如擾流(turbulence)。離子的穩定性一直是核融合反應爐的一個工程挑戰。 
 
氘離子和氚離子反應後產生氦離子(即是阿爾法粒子)和中子,其中氦離子擕帶核融合約5分之1能量,之後轉移能量讓原料能維持在高溫、可以持續核融合反應。但是氦離子得想法排掉,避免影響後續核融合反應的發生。 
 
中子以動能的形式攜帶約5分之4的核融合能量,這是核融合反應爐產生能源的主要形態。中子不帶電,不受磁場束縛,會四向逃逸。想利用它的動能轉化成一般渦輪機可以使用的能量,得用防護牆先攔著,將其轉化成熱能。 
 
另外由於前述的原因,氚必須在核融合反應爐中自己產生,防護牆上得覆蓋含鋰元素的繁殖氈(breeding blanket)。當中子撞擊到鋰時,會產生氚。中子在整個核融合過程中可能會消耗、流失掉一部分,繁殖氈上還必須加入鈹或鉛元素。當中子撞擊到這些元素之後,會產生2個中子,這樣中子的數目就得以增加,讓核融合反應爐中的氚得以持續補充,維持反應爐的持續運作。 
 
這大概就是主流的氘-氚磁約束核融合反應爐所需面臨的主要工程挑戰。 

 

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。