晴時多雲

德瑞克說碳金融》第四十八講:點火成功竟然能成為人類大事件?淺談核融合 ─ 上集

上一講,我們討論了太陽能發電,但畢竟這還是「間接」用到太陽的能量,有沒有可能人類「直接」擁有太陽的能量呢?如果真的能做到,那我們就再也不用擔心能源問題。能擺脫石油天然氣的二氧化碳排放,用源源不絕的海水做原料,就創造出接近無限的能量。只是,真的有這麼美好的事情嗎?有的,「核融合」就是這麼美好的夢想。

大家好,我是德瑞克,我對氣候變遷議題下的碳金融有高度興趣,同時也抱著高度質疑。

2022年12月,人類首次核融合「點火」成功!(圖片來源:LLNL官方網站)

上一講,我們討論了太陽能發電,但畢竟這還是「間接」用到太陽的能量,有沒有可能人類「直接」擁有太陽的能量呢?

如果真的能做到,那我們就再也不用擔心能源問題。能擺脫石油天然氣的二氧化碳排放,用源源不絕的海水做原料,就創造出接近無限的能量。只是,真的有這麼美好的事情嗎?

有的,「核融合」就是這麼美好的夢想。

因為完美,「核融合」被稱為是人類終極能源,幾十年來,頂尖科學家與工程師們始終在追尋,美國、歐洲與中國都花了大筆研發資金在上面;但是也因為太過理想,人類始終還沒能成功控制它來發電。科學界長久以來的笑話說,核融合是未來的燃料,而且永遠是未來的燃料,因為那個未來一直都還沒來。

而這終極能源的追尋,竟然在去年(2022)被美國國家實驗室找到了一絲曙光,驗證了核融合發電不只在理論上可行,而且人類科學工程也進步到實務上可行!美國的能源部長親自領軍開記者會,向全天下公告這個人類科學工程的大勝利。

這一講,我們來看看這一則新聞背後的故事。

2022年12月,美國能源部發布的記者會。(圖片來源:https://www.energy.gov/)

先來看看這則新聞,位於美國加州的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory,簡稱LLNL)的核融合實驗,成功地從核融合產生的能量多於用於驅動它的雷射能量,也就是實現了「點火」。

美國能源部長Jennifer M. Granholm親自主持了記者會,發布這則轟動全球的消息。我覺得記者會上,LLNL國家實驗室的主任Kim Budil說得很好:「在實驗室中尋求核融合點火是人類有史以來最重大的科學挑戰之一,實現它是科學與工程上的勝利。最重要的,這是人類的勝利。」

而為了這個成功的點火,國家實驗室已經努力了60年。

等等,甚麼是「點火」(Ignition)?

這其實跟我們在烤肉時生火的概念很接近。為了讓木炭能燃燒起來產生能量,一開始我們需要先用打火機點火花給予能量,持續高溫超過木炭的燃點之後,木炭會被點燃開始釋放出能量,到此時點燃的火焰會比點火的火花釋放出更多的能量。

點火很難嗎?點燃木柴是不難。(圖片來源:https://pixabay.com/)

這次的LLNL國家實驗室就是做出類似的成就:他們向目標提供2.05兆焦耳(MJ)的能量,成功地跨越了核融合的閥值,從而產生了3.15兆焦耳(MJ)的能量輸出。

這是世界上第一次核融合實驗中,輸出能量大於輸入能量,終於是「產生能量」而非「消耗能量」。於是這被視為一次成功的點火(Ignition)。

就像是點燃了終極能源的希望之聖火,證明核融合不只是理論上可行,也不只能用控制不了的核爆來達成,而是科技已經進步到人類可以控制啟動核融合。

對木炭點火只需要火種跟打火機,但是對核融合點火卻是得傾注國家資源研究開發,甚至LLNL國家實驗室中,有一座專門為了點火而設立的大型建築物,裡面包含極其複雜的光學設備與超級電腦,窮盡幾代菁英的研究開發,它的名字就叫做「國家點火裝置」(National Ignition Facility,簡稱NIF)。

為了瞭解核融合為何這麼困難,連點個火都需要動員國家級資源,特別設置點火裝置,我們得先科普一點點原子科學。放心,你絕對看得懂。

首先,我們要先學會分辨核分裂與核融合。現在的核能發電用的是核分裂技術(英文是Nuclear fission,大陸稱為核裂變),是由比較大的原子分裂成比較小的原子的核反應。

而核融合(英文是Nuclear Fusion,大陸稱為核聚變),則是將兩個較小的原子結合成比較大原子的核反應。下圖做為簡單的比較。

(圖片來源:https://www.theecoexperts.co.uk/)

核分裂與核融合都會釋放出巨大的能量,現今核能發電採用核分裂,會有核外洩與輻射汙染的疑慮,但是核融合則比較沒有這些問題。

核融合是恆星產生能量的過程,就像太陽一樣。所以利用核融合來發電,就像是在地球上創造太陽,被稱為「人造太陽」或是「地上的太陽」。

根據愛因斯坦的質能方程式E=mc2,在核融合反應前後,會有小小的物質不守恆,而這一點點散失的物質將轉變為極巨大的能量。讓我們做一點小小的數學題,來感受一下這個方程式的威力。

在太陽核心,氫(代號為H)正透過核融合變成氦(代號為He)。四個氫原子會融合成一個氦原子,假設4公克的氫經過核融合成氦,你猜猜能產生出多少能量?

經過愛因斯坦著名的公式E=mc2來計算,4公克的氫在核融合後,產生的能量足已讓60瓦的燈泡發光超過一百年!

核彈的威力。(圖片來源:https://pixabay.com/)

只要小小的物質,經過核反應,就是超巨大的能量!這也就是氫彈威力驚人的原因!但是,核融合非常非常不容易發生。

原子的結構,原子核有帶正電的質子跟不帶電的中子,外圍是帶負電的電子。(圖片來源:https://chemistrytalk.org/)

物質都是由原子構成,原子核是帶正電的質子跟不帶電的中子,外圍是帶負電的電子。原子核裡面有一種很強大的力量,把原子核的質子們與中子們緊緊抓在一起,這種力量叫做核力。但是核力只在距離非常非常近才起作用,大概是10-10~10-13米左右。

可是不同原子的原子核都是帶正電的,兩邊正電是互相排斥的,需要有能量克服這個互相排斥的正電,來讓兩個原子核能靠近,直到非常靠近到核力發生作用,砰!兩個原子核就融合在一起了。

因為原子越大,原子核裡面的質子數量就越多,帶的正電量也越大,要讓兩個原子核靠近也就越不容易。

這就是為什麼氫(H)是最適合核融合的原子,因為它原子序為1,是世間最小的原子。

而高溫與高壓力能夠提供能量,讓原子核克服排斥而接近,讓核融合有機會發生。像是太陽的核心溫度估計就在1500萬度,核融合成為了太陽能量的來源。

太陽的能量來源是核融合。(圖片來源:https://pixabay.com/)

只是,即使質量是地球三十萬倍的太陽,擁有核心1500萬度的超級高溫,平均每個質子還得要等待數十億年才能參與一次核融合。這樣低的碰撞機率怎麼拿來發電當能源?

總不能當你按下開關之後,等到曾曾曾孫都出生了,電燈還沒亮起來,對吧?

所以,人類不只要造出太陽,還得要能超越太陽才行。

下一講,我們就來談談這個不可能的任務,回到這次新聞的主角–「國家點火裝置」(NIF,National Ignition Facility)。

不用抽 不用搶 現在用APP看新聞 保證天天中獎  點我下載APP  按我看活動辦法

已經加好友了,謝謝
歡迎加入【自由評論網】
按個讚 心情好
已經按讚了,謝謝。

相關新聞

編輯精選