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30/12/2022

人造太陽技術成真!核融合發電零碳排、無核污染兼取之不盡,點燃全球能源技術競賽戰火!

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  • 方展策

    方展策

    少年時,曾研習 Geographic Information System,可惜學無所成,僥倖畢業。成年後,誤打誤撞進入傳媒圈子,先後在印刷、電子、網絡媒體打滾,略有小成。中年後,修畢資訊科技碩士,眼界漸擴,決意投身初創企業,窺探不同科技領域。近年,積極鑽研數據分析與數碼策略,又涉足 Location Intelligence 開發項目;有時還會抽空執教鞭,既可向他人分享所學,亦可鞭策自己保持終身學習。

    智城物語

  歐洲議會決定將核能列為「綠色能源」,引起極大爭議,德國、奧地利、盧森堡、西班牙等國堅決反對。但核能只要換個產生方式,從「核分裂」轉換為「核融合」,或許可以將爭議性大幅降低。近日美國能源部宣布,被標榜為零碳排、零核污染的核融合技術,首次成功達到「能量淨增益」,被視為潔淨能源發展的新里程碑。到底核融合是甚麼?為何它可以比傳統核能安全?甚至享有能源界「聖杯」、「人造太陽」之美譽?

 

核融合首度實現能量淨增益

 

  2022年12月13日,美國能源部宣布,轄下「勞倫斯利佛摩國家實驗室」(LLNL)的「國家點燃實驗設施」(National Ignition Facility,NIF),首度成功在核融合反應中實現「能量淨增益」(Net Energy Gain),意即產出的能量高於引發反應所需的能量,克服半個世紀以來科學界無法解決核融合電力消耗比產出高的難題。

 

全球首次實現能量淨增益的核融合實驗是在勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)旗下的國家點燃實驗設施內進行。(圖片來源:LLNL實驗室官網)

 

  這項實驗是在同年12月5日,位於加州矽谷利佛摩(Livermore)的國家點燃實驗設施內進行。科學家使用192束高能量激光,射向裝有氘-氚燃料球的環空器(Hohlhraum)。這個環空器是一個圓柱形容器,頭尾兩端開孔,內壁有黃金特殊塗層。

 

192束高能量激光射向環空器,令氘-氚燃料球自燃,引發連鎖融合反應,釋放出高於射入激光的能量,成功實現能量淨增益。(圖片來源:LLNL實驗室官網)

圓柱形的環空器內植入了大小有如胡椒粒的氘-氚燃料球。(圖片來源:LLNL實驗室官網)

 

  科學家從環空器兩端孔洞精準地射入激光,將特殊塗層加熱至300萬°C,便能輻射出強烈的X射線,均勻覆蓋燃料球表面,令燃料球外層爆裂,產生反作用力傳遞至燃料球內部,進而使內部氘-氚元素形成高壓高溫;當達到1億°C以上高溫和地球大氣層1,000億倍的壓力時,便會出現自燃現象,繼而引發內爆,連鎖觸發融合反應,釋放出能量。

 

  整個實驗過程為時很短,大概只需幾十、甚至百萬分之一秒,而且實驗體亦很小,那個氘-氚燃料球僅有胡椒粒般大小;惟在這極短時間、極小空間內,卻模擬出一顆小太陽。實驗所用的激光能量輸出為2.05兆焦耳,核融合產生的能量則為 3.15 MJ,這是有史以來受控的核融合發電實驗中,首次產出能量大於投入的能量。

 

高能量激光從環空器兩端射入,點燃氘-氚燃料球的模擬圖。(圖片來源:LLNL實驗室官網)

 

核融合與核能發電有何不同

 

  美國能源部長珍妮花·格蘭霍姆(Jennifer Granholm)表示,核融合是一種乾淨、充裕且安全的能源來源,有助解決人類依賴化石能源、助長全球暖化的困局。同是以核技術產生能量,為甚麼核電廠有潛在核污染風險,但核融合卻被視為潔淨能源的新解方呢?

 

美國能源部部長詹妮弗·格蘭霍姆表示,這次核融合實驗是「21世紀最教人印象深刻的科學壯舉之一。」站在其旁邊最左方的,正是LLNL實驗室主任金佛地。(圖片來源:美國能源部)

 

  現時核電廠是採用核分裂技術來製造能量——利用中子撞擊一顆較重的原子(如鈾元素),使重原子分裂成兩顆較輕的原子,過程中會釋放出能量。盡管核分裂發電不會帶來碳排放,但產生的核廢料卻有逾千年不衰減的放射性,如處理不當,有機會造成核污染。

 

  核融合的原理恰好相反,是把兩顆較輕的氫原子同位素(如氘、氚)對撞,透過極高的溫度與壓力,強迫它們「黏」在一起,形成較重的氦原子,過程中一樣會放出能量;而這正是太陽產生能量的方法,故此核融合又被稱為「人造太陽」。

 

  相比起核分裂,核融合在使用同等重量的原料下,能夠產生接近4倍的能量,而且氘-氚融合過程中產生的副產物(氦、中子)也相對「乾淨」。氦氣本身沒有危險性,常用於氣球充氣;中子則可能會被其他物體吸收,令該物體具有微量放射性,惟卻不足以對人體造成顯著傷害。

 

慣性局限融合vs磁局限融合

 

  氘作為核融合的原料,是一種地球上穩定存在的物質,在大自然的含量約為氫的7,000分之一,又可以對天然水中的重水進行電解,從中以獲取氘,所以沒有開採耗盡的問題。氚在自然界中的含量則較少,惟卻可透過人工合成方式製造出來。

 

  核融合既能發出更多能量,又不會排放溫室氣體,只會產生微量放射性物質,兼且原料幾乎可以源源不絕供應,一口氣解決環境永續和碳排放的問題,因而被科學界視為能源中的「聖杯」(Holy Grail)。倫敦帝國學院(Imperial College London)物理學家傑里米·奇滕登(Jeremy Chittenden)表示,NIF的實驗證明「核融合的『聖杯』確實可能實現」。

 

  今次NIF以激光觸發氘-氚燃料球的點燃實驗,是建基於「慣性局限融合」(Inertial Confinement Fusion)技術方案;另一個核融合的主流方案,則是「磁局限融合」(Magnetic Confinement Fusion)——使用「環磁機」(Tokamak,又稱「托卡馬克」)來達成磁約束以包覆電漿,並透過螺旋運動加熱,從而引發核融合反應。

 

  目前磁局限融合的研發進度略為滯後,惟其優勝之處在於操作上較為簡單。理論上,環磁機尺寸愈大、磁場愈強,就愈容易到達核融合的臨界點。當越過臨界點形成核融合,磁約束會出現自我持續現象,之後只要不斷添加氫原料,便可以延續核融合反應。相較於慣性局限融合要求各項條件精準地執行,始能實現核融合,磁局限融合的運作無疑簡單得多。

 

中歐韓爭相研發核融合技術

 

  核融合有望成為比核分裂或化石燃料更為潔淨、取之不盡的能源,所以早就引起包括美國在內的各國政府、以及私人企業的極大興趣。2021年11月,韓國聚變研究所旗下的「韓國超導托卡馬克進階研究」(KSTAR)項目,成功在1億°C的高溫下維持等離子體核融合連續運行30秒。

 

KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)是韓國國家聚變研究所的超導托卡馬克核融合裝置,被冠上「韓國太陽」的稱號。(圖片來源:維基百科)

 

  2021年12月,中國科學院合肥物質科學研究院的「全超導托卡馬克核融合實驗裝置」(EAST),實現1,056秒的長脈衝高參數等離子體運行,創下環磁機持續運作的最長時間。2022年2月,由歐洲多國共同建造的「歐洲聯合環狀反應爐」(JET),成功產生持續5秒的59兆焦耳能量。

 

EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)是中國科學院合肥物質科學研究院轄下等離子體物理研究所,在安徽省合肥市建造的全超導磁體托卡馬克核融合試驗性裝置,又被稱為「東方超環」。(圖片來源:合肥物質科學研究院官網)

JET(Joint European Torus)是位於英國牛津郡卡勒姆核融合中心(Culham Centre for Fusion Energy)的磁局限融合物理實驗反應爐。(圖片來源:維基百科)

 

  全球最大的核融合研究計劃則是由35國政府集資興建的「國際熱核實驗反應爐」(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER),投資金額高額220億美元(約1,716億港元),旨在證實核融合裝置的可行性與穩定性。按照原訂計劃,ITER於2025 年展開測試,2035年啟動氘-氚電漿實驗,惟受到疫情拖累,預計時程將會延後。

 

ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)是全球最大的實驗性托卡馬克核融合反應堆,坐落於法國南部。參與實驗項目的國家包括:中國、美國、英國、歐盟、日本、韓國、印度、以及俄羅斯等。(圖片來源:維基百科)

 

初創融資額已達48億美元

 

  私人企業方面,根據美國核融合產業協會(Fusion Industry Association,FIA)的統計,研發核融合技術的初創公司從2021年的23家,增加到2022年的33家。及至2022年,流入這些初創的資金已高達48億美元(約374.4億港元),當中有6家初創籌集了2億美元(約15.6億港元)以上資金。

 

  例如,從麻省理工大學(MIT)獨立出來的Commonwealth Fusion Systems,2021年取得業內最大規模的18億美元(約140.4億港元)融資,用於興建核融合發電機組;另一美國初創Helion Energy同年亦成功募資5億美元(約39億港元),用作建構可提供能量淨增益的核融合裝置。

 

Commonwealth Fusion Systems於2021年11月取得18億美元的 B輪融資,用於建造和營運SPARC托卡馬克核融合裝置。(圖片來源:維基百科)

 

  FIA執行長安德魯·荷蘭(Andrew Holland)指出,政府與私企的核融合研發項目非但不該相互競爭,反而應把公營與私營的力量結合,務求各展所長,共同推動產業發展;政府應負起提供基建和培訓人才的責任,為業界打下良好發展基礎,私企則負責興建發電廠,進行商業化營運。

 

  事實上,美國政府已開始對核融合業者提供援助。2022年3月,政府召開促進政府及民間展開核融合合作的會議,梳理出未來核融合的發展方向。9月,能源部公布,將撥款5,000萬美元(約3.9億港元)資助初創企業,建設核融合前導試驗工廠。12月,能源部又宣布,將投入3,300萬美元(約2.57億港元),鼓勵業界利用AI技術加快核融合開發進程。

 

核融合商業化要等20年以上

 

  不過,大部分科學家認為,核融合要實現商業化,並達到產業規模,還有很長的路要走。LLNL實驗室主任金佛地(Kim Budil)表示,雖然其核融合實驗得到能量淨增益的效果,可是只有這麼一次;此技術要邁向商業化,仍有很多問題有待解決,譬如怎樣把單次核融合變成多次可持續融合,科學家可能要花上幾十年找出答案。但她相信,在其有生之年應有機會看到核融合發電廠的落成。

 

  倫敦帝國學院物理學家奇滕登指出,如使用核融合技術來發電,必需大幅提高其能量增益,同時也要找到更便宜重現相同效果的方法,這樣才可以把它變成發電廠。法國原子能委員會(French Atomic Energy Commission)專案經理埃里克·勒費弗爾(Erik Lefebvre)認為,要走到那一步,或許仍要多等20或30年。

 

  藉由落實淨零排放來實現環境永續,以綠色能源取代化石能源,可說是必然之舉。然而,太陽能與風能會受制於天氣,被歐盟列為綠能的核能也有核廢料的問題。假如日後核融合可以成為綠能發電的主力,那麼對推動永續發展將有極大幫助。因此,這20、30年還是值得等待的!

 

 

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