NIF快找到调控核融入的法子啰

[原文连结/编译:Judy]经过各方的多年努力,核融合发电的梦想终于不再遥远,美国国家点燃实验设施(National
Ignition Facility,
NIF)在这12年来,建立了192个巨型激光器,他们将雷射打用重氢和氚组成的「氢弹」,随着雷射带来的高温和压力,会引发核融合反应,而这两种氢同位素也会释放出巨大的能量,NIF希望能找到在实验室控制、维持核融合反应以及能量的方式,NIF的负责人Ed
Moses博士表示,当所有雷射都发射后,能传送产生1.8百万焦耳的能量,只要能维持十亿分之几秒,「氢弹」就能产生500兆瓦的电力,比全美发电量还大,Ed
Moses博士预计这项实验在2010~2012年就会有重大结果。

就当这是科幻与现实的番外篇吧!只是好像核融合比较接近现实一点
:p。现代的核电厂使用的发电技术,称为「核分裂」,是利用中子撞击一颗重原子后,重原子会「分裂」成两颗轻的原子,并在过程中放出能量。核融合则是相反的过程,将两颗轻的原子核对撞后,形成一颗较重的原子,并在过程中放出能量。不论哪一种,能量的来源都是核反应的过程中减少的质量,透过爱老的著名公式
E=mc² 转换。核分裂技术最早在 1940 年代初试验成功,1954
年苏联就有第一个核能发电厂在运转了。相较之下,核融合技术大约在 1950
年代初试验成功,但直到五十多年后的今天,仍然是个近在眼前,却构之不及的梦想。核融合技术到底是为什么这么吸引人?为什么经过这么久的研究还没有个结果?

威尼斯官方网站 1太阳本身就是一个巨大的核融合反应炉核融合的原理前面说过了,核融合是将两颗轻的原子核对撞后,产生出一颗较重的原子,并在过程中放出能量。这种反应是星球发光发热的主要能量来源,也是氢弹威力比核分裂弹更大的主因。原子由带负电的电子、带正电的质子和不带电的中子所组成,质子和中子在原子的中心组成原子核,电子则在外面绕圈圈。正常情况下,同样带正电的两颗质子应该会互相排斥,但在原子核的那种超小的距离尺度下,另一种称为「核力」的力量会强过电磁力,让质子和质子可以黏在一起。要把两颗原子核撞在一起(电子与核融合反应无关)是非常困难的:两颗原子核同样各自带正电,因此实际上把两个原子核撞在一起时,也会有一股相斥的电磁力必须要克服,直到两颗原子核近到核力的影响大于电磁力时,两颗原子核就会「啵」的黏在一起,核融合就发生了。核融合的困难要如何克服原子核间相斥的电磁力,就是核融合至今还在实验阶段的主因。在太阳内部和氢弹这两个已知的范例中,都是靠加热反应的物质到极高的温度(太阳是因为内部的高压和持续的核融合反应,氢弹则是因为先引爆了一颗核分裂弹,使得核融合的环境能达成),使各别的原子核有足够的动能穿过电磁力的壁垒,靠近到核力可以发挥作用的距离。在反应炉中产生这种超级高热,以维持核融合反应的发生,是目前两种最可行的方法中,看起来比较有希望的核融合方法。利用甜甜圈型的电磁场,可以将带正电的原子核(电子因为高热已经被扯离原子核,形成电浆)封闭在反应炉环状部份的中心,并且发生反应。这种反应炉的技术挑战在于高温的维持

理论上反应炉「点火」(提供初期的能量,直到核融合反应能发生)后,核融合反应的能量之大,应该要能在维持高温之余,还要有额外的能量供给出来。但目前为止的试验炉最高输出能量只能达到输入能量的
70%,自然无法维持核融合反应。刚开始兴建的 ITER 实验反应炉预计 2018
年完工,综合了以往各反应炉的经验,预计将首度达成输出大于输入的目标,并且维特点火时间至少
400 秒。最终 ITER 或许可以达成输出能量为输入能量的 5~10 倍,并点火 1000
秒,但即使如此,仍不足以商业运转 — 要等到再下一代的
DEMO,达成输出为输入能量的 25
倍以上,才有可能做为经济的发电方式被人们利用。另一种可行的方式,是利用激光来进行核融合,称为
ICF。燃料会被做成针头大小的小弹丸,并由四面八方发射激光到这个目标上。当激光射到燃料丸的表面时,会瞬间引爆燃料丸的外壳,爆炸产生的震波如果能均匀而且同步的从弹丸的表面传到弹丸内部,就能压缩最核心的燃料到能引发核融合反应的程度。核融合反应一旦发生,连锁反应就能将燃料丸剩余的部份燃烧一空,产生大量的能量。一直以来,用这种方式进行核融合都很失败,因为引爆燃料丸需要多个激光束精确的同步点燃燃料丸,但最近在激光技术上的发展让美国对激光核融合的兴趣再度大增。即将完工的
NIF 就是第一个有会达成点火的激光式核融合反应炉,预计 2009 启用,2010
年就可以知道这种方式到底有没有前途了。下一代的系统是欧洲预计 2010
年开始兴建的 HiPER,因为使用低能量的激光,有可能为商用运转的 ICF
铺路。核融合的燃料威尼斯官方网站 2威尼斯官方网站,D-T
反应任何轻原子核理论上都能撞在一块产生能量,但原子序愈高的元素,原子核间的排斥力就愈大,引燃的条件也就愈苛刻,所以大部份的研究都放在最轻的几种元素上。最有前途的燃料组合有三种,分别称为
D-T、D-D 和 p-11B 反应。D-T -> 4He + nD-T
反应的燃料,是氢的同位素氘和氚,反应之后会产生氦、一颗中子和能量。D-T
反应是目前所有核融合反应中最有前途的一个,因为它的反应温度最低,比较容易达成。两种原料中,氘是一种稳定存在于自然的物质,海里就有一大堆,但氚因为是放射性同位素,半衰期只有
12.32 年,因此自然中含量极其稀少,必需要靠锂的核滋生反应来取得。这使得
D-T 反应仍然会受到锂来源的限制,但估计燃料来源至少可以撑个 5000
年没问题。D-T 反应还有一些安全上的问题,等一下会再另外说明。D-D -> T

  • p->3He + nD-D
    反应是拿氘和氘反应,因此燃料来源可以说是无穷无尽的。D-D
    反应有两种不同的反应式,一共会产生氚、氦-3(少一个中子的氦同位素)、质子和中子,当中氚还可以再和氘进行
    D-T 反应。可惜和 D-T 反应相比,D-D 反应需要 D-T 反应 30
    倍的能量密封性(因为反应所需的温度高很多),而且产生的能量也比 D-T
    反应少 68 倍。p-11B -> 3 4Hep-11B
    反应是拿质子去撞硼最常见的同位素硼-11,产生三个氦原子核。这种反应的特色是没有中子的产生,但反应所需的温度约是氢同位素反应的十倍,产生的能量却只有氢同位素的
    1/2500,因此之前提过的两种核融合反应方式,都不再适用。核融合的危险常有人说核融合是安全、干净的能源,其实并不尽然。核融合反应炉确实不可能发生像核分裂反应炉那样的大规模融炉和辐射外泄事件,因为发生核融合的条件实在太苛刻了。以磁场限制型核融合反应炉来说,只有磁场稍有不稳定,反应炉内的燃料就会立即丧失反应能力,反应炉也会立即熄火。可以说目前开发核融合发电的所有困难点,正是未来核融合炉使用时的保障。但另一方面,使用的原料是不是安全,又是另一个问题了。氚之前说过了,是一种放射性物质,如果外泄到了大气中,一样会有幅射污染的危险。但还好的是,氚的半衰期只有
    12
    年,和核分裂原料动轧数百万年的半衰期相比,对环境来说是安全很多。此外,核融合产生的中子因为不带电荷,因此不能被留在电场中。这些高能的中子会撞击反应炉周边的材料,久而久之,有一定的机会将周围的的材料转变成辐射废弃物(这就是为什么
    p-11B
    反应也在研究之列的原因)。目前有不少和反应炉同步进行的研究,是在于采用什么样的材料能减少辐射废弃物的产生,不过往好处想,再惨也不会比现有的核分裂反应炉惨啦
    XD。结语威尼斯官方网站 3怀念的核融合发电厂…小姜还记得模拟城市里,核融合反应炉是在
    2050 开始可以兴建的。在真实世界中,要能让核融合从 2050
    年起为人类服务,是很拼的 — 如果一切顺利,经费没有短缺、ITER
    兴建没有延误、ITER 实验顺利、DEMO 准时开工…或许 2050 年时可以让 DEMO
    运转。但核融合技术的开发花去的资源远超过之前的任何一个科学计划,包括大型离子撞击器(据估计以目前原料上涨的趋势,ITER
    的造价会超过
    LHC),但相较于「为了科学的进步!」这样空洞的口号,显然「为了无穷无尽的便宜能源!」更能吸引研究经费,所以小姜并不怀疑人类终究会有以核融合为主,风力、太阳能为辅的一天的到来。只是不知道我看不看得到那天而已…
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