核融合

太陽主序星,通過原子核的核融合產生能量,把原子聚變成原子。在它的核心,太陽發生以每秒鐘6.2億噸氫的核融合.

核融合,又稱核聚變融合反應聚變反應,是將兩個較輕的結合而形成一個較重的核和一個很輕的核(或粒子)的一種核反應形式。在此過程中,物質沒有守恆,因為有一部分正在聚變的原子核的物質被轉化為光子(能量)。核融合是給活躍的或「主序的」恆星提供能量的過程。

兩個較輕的核在融合過程中產生質量虧損而釋放出巨大的能量,兩個輕核在發生聚變時因它們都帶正電荷而彼此排斥,然而兩個能量足夠高的核迎面相遇,它們就能相當緊密地聚集在一起,以致核力能夠克服庫侖斥力而發生核反應,這個反應叫做核融合

舉個例子:兩個質量小的原子,比方說,在一定條件下(如超高溫和高壓),會發生原子核互相聚合作用,生成中子-4,並伴隨著巨大的能量釋放。

原子核中蘊藏巨大的能量。根據質能方程式E=mc2,原子核之淨質量變化(反應物與生成物之質量差)造成能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核,稱為核分裂,如原子彈爆炸;如果是由較輕的原子核變化為較重的原子核,稱為核融合。一般來說,這種核反應會終止於,因為其原子核最為穩定。

最早的人工核融合技術是氫彈,同時在20世紀50年代,人類開始認真地研究發展用於民用目的的受控熱核融合,並一直持續到今天。在經過60年從以前的實驗中做出設計改進之後,採用雷射約束的國家點火裝置(NIF)和採用磁約束國際熱核融合實驗反應爐(ITER)這兩個主要項目的目標為在反應中產生的能量超過點燃反應所需要的能量。ITER還計劃實現聚變「自持」。

核融合基本原理

核融合將諸如氫原子核一類的較輕的原子核結合形成較重的原子核。原子核帶正電,故庫侖力會阻礙原子核的結合。克服庫侖勢壘需要大量的能量。輕核所帶的電荷少,因此它們聚變時需要克服的勢壘越小,釋放出的能量就越多。隨著原子核質量的增加到一個臨界點時,融合反應所需克服的位能大於反應放出的能量,即沒有淨能量產生。這一臨界點是-56。

核與核是核融合的最佳燃料。它們都是原子核的重同位素。由於中子與質子比相對較高,它們的勢壘也就較小。電中性的中子通過核力使得原子核中的核子緊密地結合在一起。氚核的中子與質子比(2個中子,1個質子)是穩定原子核中最高的。增加質子或減少中子都會使得克服勢壘所需的能量變多。

一般條件下核與核的混合態不會產生持續的核融合。由於核子之間的距離小於10fm才會有核力的作用,因此核子必須靠外部能量聚合在一起。就算在溫度極高,密度極大的太陽中心,平均每個質子要等待數十億年才能參與一次聚變。[1]要使聚變能夠實際應用,原子核利用率必須大幅提升:溫度提升到10的8次方K,或施加極大的壓力。實現自持融合反應並獲得能量增益的關於密度和壓力的必要條件就是勞森準則。這一準則自1950年代氫彈爆炸成功而聞名,而在地球上實現勞森準則十分困難[2][3]

核融合科技起源

核融合程序於1932年由澳洲科學家馬克·歐力峰英語Mark Oliphant所發現。隨後於1950年代早期,他在澳洲國立大學成立至今依舊活躍的電漿核融合研究機構(Australian Plasma Fusion Research Facility)。

條件

如果要進行核融合反應,首先就必須提高物質的溫度,使原子核和電子分開,處於這種狀態的物質稱為「電漿」(plasma)。顧名思義,核力是一種非常強大的力量,而其力量所及的範圍僅止於10−10~10−13米左右,當質子和中子互相接近至此範圍時,核力就會發揮作用,因而發生核融合反應。

但由於原子核帶正電,彼此間會互相排斥,所以很難使其彼此互相接近。若要克服其相斥的力量,就必須適當地控制電漿的溫度密度封閉時間﹝維持時間﹞,此三項條件缺一不可。由於提高物質的溫度可以使原子核劇烈轉動,因此溫度升高,密度變大,封閉的時間越長,彼此接近的機會越大。

由於電漿很快就會飛散開來,所以必須先將其封閉。用來使電漿封閉的方法有許多種,太陽內部是利用巨大重力使電漿封閉,而在地球上則必須採取別的方法,磁場的利用便是其中一種。當電漿帶電時,電荷被捲在磁力線上,因此只要製造出磁場,就能夠將電漿封閉,使它們懸浮在真空中。

優點

相較於核分裂發電,核融合產生的核廢料半衰期極短(低管理成本、核洩漏時總危害較低、最多只有一公里內需要撤退)、安全性也更高(不維持便會停止反應)。如之核融合反應,其原料可直接取自海水,來源幾乎取之不盡,因而是比較理想的能源取得方式。

 
D型環的托卡馬克裝置是最有希望達成的受控融合設計

核融合也是一種中子源,藉此可以觸發核分裂。利用中子源來觸發核分裂反應稱為次臨界核分裂,次臨界核分裂不但安全性接近核融合,且技術難度較核融合發電低(若是把核融合來當中子源觸發核分裂發電,技術需求也會比僅使用核融合的能量發電低)[4],還可以處理核分裂發電造成的核廢料及過多的原子彈、讓這些核廢料的半衰期由數萬年縮短為數百年。

因此絕大多數的反核運動,都不反對核融合。

進展

目前人類已經可以實現不受控制的核融合,如氫彈爆炸;也可以觸發可控制核融合,只是輸入的能量大於輸出、或發生時間極短。但是要想能量可被人類有效利用,必須能夠合理的控制核融合的速度和規模,實現持續、平穩的能量輸出;而觸發核融合反應必須消耗能量(約1億度),因此人工核融合所產生的能量與觸發核融合的能量要到達一定的比例才能有經濟效應。科學家正努力研究如何控制核融合,但是現在看來還有很長的路要走。目前主要的幾種可控制核融合方式:超音波核融合、雷射約束(慣性約束)核融合、磁約束核融合(托卡馬克)。

2005年,部份科學家相信已經成功做出小型的核融合[5],並且得到初步驗證[6]。首個實驗核融合發電站將選址法國[7]

根據2014年2月12日英國科學期刊《自然》電子版,美國能源部所屬國家研究機構勞倫斯利福莫耳國家實驗室(英語:Lawrence Livermore National Laboratory)的研究團隊首次確認,使用高功率雷射進行的核融合實驗,從燃料所釋放出來的能量,超出投入的能量。[8]

2014年10月,洛克希德·馬丁宣布發明小型核融合反應爐,100兆瓦特反應爐縮小至7x10英呎大小,於1年之內能進行測試,10年內能正式運轉[9]。大部分科學家對此聲明表示懷疑,其小型反應爐與世上任何反應爐構造都不同。

目前正在建設世界上最大的實驗性托卡馬克反應爐為法國南部的國際熱核融合實驗反應爐,2016年12月央視報導中國率先研製成功最核心的核融合材料部件,也就是必須承受過太陽溫度的D型環內壁材質,[10]高達每平方米4.7兆瓦熱量,由中核集團西南物理研究所研發,同月送往ITER工地測試。現階段許多托卡馬克裝置能產生核融合反應但只有很短瞬間就必須關停避免機組毀滅,所以只有實驗研究價值沒有實用性,內壁材質是托卡馬克是否具有商用價值的關鍵,成為各國攻關的重點。

未來的核融合發電

 
核融合反應速度會一直與溫度一起上升,直到最大反應速率溫度後、逐漸下降。DT反應速度峰值的溫度是最低的(約70 keV或八億度k),and at a higher value than other reactions commonly considered for fusion energy.
核融合發電反應的比較[11][12][13][14][15]
反應物 產物 Q n/MeV
第一代核融合發電燃料
2
1
H
+ 2
1
H
(D-D)
3
2
He
+ 1
0
n
3.268 MeV 0.306
2
1
H
+ 2
1
H
(D-D)
3
1
H
+ 1
1
p
4.032 MeV 0
2
1
H
+ 3
1
H
(D-T)
4
2
He
+ 1
0
n
17.571 MeV 0.057
第二代核融合燃料
2
1
H
+ 3
2
He
(D-3He)
4
2
He
+ 1
1
p
18.354 MeV 0
第三代核融合燃料
3
2
He
+ 3
2
He
4
2
He
+ 2 1
1
p
12.86 MeV 0
11
5
B
+ 1
1
p
3 4
2
He
8.68 MeV 0
(D)融合總反應 (前四行反應的總和)
6 D 2(4He + n + p) 43.225 MeV 0.046
目前最常用的核燃料
235U + n 2 核分裂產物 + 2.5 n ~200 MeV 0.001

燃料中的是穩定同位素、可以由海水獲得,半衰期短、但可以用中子撞擊-6來獲得 [16]氦-3可以是清潔核燃料,但地球的存量很少,必須要到月球或木星上透過宇宙採礦獲取。

D-T反應及D-D反應都會產生中子,而這會讓核融合設施帶有放射線,但這些核廢料比核分裂發電造成的好處理多了;而反應溫度更高的D-3He反應本身沒有產生中子,但因為反應物包含D,因此會附帶D-D反應、而產生中子;純3He的反應則只會產生質子、質子可以用電場處理、而且還可以用來直接發電(類似燃料電池的方法),11
5
B
+ 1
1
p
反應的原料更好取得,但第三代核融合的技術難度又更高一截。

參見

參考文獻

  1. ^ FusEdWeb | Fusion Education. Fusedweb.llnl.gov. [2013-10-11]. 
  2. ^ 楊福家. 原子物理學. 高等教育出版社. 2008: 376. ISBN 978-7-04-022994-3. 
  3. ^ http://www.scienceworldreport.com/articles/5763/20130323/lawson-criteria-make-fusion-power-viable-iter.htm
  4. ^ 央視- 中國人造太陽夢
  5. ^ Robert Nigmatulin. Nano-scale thermonuclear fusion in imploding vapor bubbles. ScienceDirect. 2005年2月16日 [2010年2月6日]. 
  6. ^ Emil Venere. Purdue findings support earlier nuclear fusion experiments. Purdue University. 2005年7月12日 [2010年2月6日] (英語). 
  7. ^ France wins bid for world first fusion plant. Xinhua.net. 2005年6月28日 [2010年2月6日] (英語). 
  8. ^ 美首次實證雷射核融合 放出超量能量. 新頭殼newtalk. 2014-02-13. 
  9. ^ Lockheed says makes breakthrough on fusion energy project, Reuters, 15 October 2014, Andrea Shalal
  10. ^ 央視-中國領先世界研發成功核融合內壁
  11. ^ Inertial Electrostatic Confinement Fusion. [2007-05-06]. 
  12. ^ Nuclear Fission and Fusion. [2007-05-06]. (原始內容存檔於2007-04-04). 
  13. ^ The Fusion Reaction. [2007-05-06]. 
  14. ^ John Santarius. A Strategy for D – 3He Development (PDF). June 2006 [2007-05-06]. 
  15. ^ Nuclear Reactions. [2007-05-06]. 
  16. ^ Hanaor, D.A.H.; Kolb, M.H.H.; Gan, Y.; Kamlah, M.; Knitter, R. Solution based synthesis of mixed-phase materials in the Li2TiO3-Li4SiO4 system. Journal of Nuclear Materials. 2014, 456: 151–161. doi:10.1016/j.jnucmat.2014.09.028.