说明:此篇文章原本乃为泛科学 Youtube 影片所写,经简化之後,拍摄成〈缺电、辐射、核废料有解吗?「核融合发电」有可能吗?〉和〈最受期待的核融合发电在哪里?能源数据谁在膨风?〉两部作品。又,本文并不针对核融合的技术性问题多做解释,而是想用最少的字数,让读者了解核融合发展的全貌与大致进程。同时,此文主题也跟「世界是否应该采用核能发电」、「台湾是否该使用核能发电」、「台湾是否该重启核四」无关;这是三个完全不同的问题,核融合发电跟现有的核能发电技术也有所不同,无法一概而论。

在漫威电影里,许多情节设定都跟真实世界的科学有所关连。就前阵子上映的《蜘蛛人:无家日》来说,在公开预告片中可见到知名反派八爪博士的回归;他不但是研究核能的科学家,在《蜘蛛人2》还打造出了核反应炉。

八爪博士的核反应炉,跟太阳可说有 87 分像;姑且不论画面呈现得正不正确,这部机器特别的地方就在於,它是核融合反应炉,而非目前核能发电所用的核分裂反应炉。然而,这两者差在哪里?都已经有核能发电技术了,为什麽还要研发核融合发电?不仅如此,核融合研究甚至一度引发学术界的争议丑闻,甚至被拿来拍成 IMDb 超低分的电影。

传统核能发电的发展趋势

不久前(2021 年底),台湾举办了是否重启核四的公投。在选举期间,我们或许听过不少关於核能发电的利弊分析与讨论。在温室效应越来越受到关注、以及强调 2050 年要净零碳排放的现代,核能发电极低的碳排放,是不容忽视的优点;但另一方面,核废料问题,和核子事故风险,也是反核人士眼中无法接受的缺点。

不管如何,近数十年来,全球核能发电量虽然在日本福岛核灾後一度减少,但整体而言,仍大致呈现缓慢增长的趋势。不过,核能在全球的发电占比,则是於 1996 年达到 17.5% 的高峰後,开始缓慢下降。

另一方面,若比较从 1954 年到 2020 年,「开始运转的核电厂」和「停止运作的核电厂」两者的数目。可以发现,在 1990 年之前,开始运转的核电厂,远比停止运作的核电厂要多得多。但从 1990 年开始,两者就呈现差不多的趋势。

基於上述统计资料,大抵可以说,因为总总复杂的原因,不管是对是错,在上世纪 90 年代以後,核电厂慢慢地不像以前那麽受到欢迎。而近年来对温室效应的关注,以及仍是现在进行式的俄乌战争,会对核能发展带来什麽影响,有待我们持续关注。

为什麽要研究核融合发电?

就在核能前景尚未完全明朗的同时,我们却也能在许多新闻媒体上看到,除了新式核分裂发电技术的研发之外,还有「Google 和比尔盖兹投资核融合反应炉」、「世界最大核融合反应炉进入组装阶段」、「中国核融合再创新世界纪录」、「核融合新创 Helion 获 22 亿美元资金」、「贝佐斯投资核融合新创」等,关於核融合发电的消息;美国政府和其他许多国家也都投入资源在核融合研究。

同样是核能发电,核融合发电和传统的核分裂发电,有什麽不一样?为什麽许多国家与知名人士都对核融合发电寄予厚望?八爪博士又为什麽打击蜘蛛人的正事不干,要去研究核融合?(搞错重点了好ㄇ)

核反应的类型

简单来说,核反应可分成两大类,一是原子核分裂成其他较轻原子核,称为核分裂(nuclear fission);另一则是,两个以上的原子核结合成新的原子核,称为核融合(nuclear fusion)。因为核反应往往伴随能量的吸收或释放,核能电厂於是利用这一点,撷取核分裂过程中释出的能量,作为发电之用。

至於太阳,主要由氢构成。庞大的重力将氢向内挤压,於太阳核心产生极端的高温和高压,并促使氢进行核融合反应成为氦,连带产生能量。目前的核融合研究,目的就是在地球上复制这个过程,以获取释出的能量。只不过,地球上并不存在如太阳核心般的高温和高压,所以必须人为地制造出适合的环境,核融合发电才有可能实现。也因此,有人会把核融合技术形容成人造太阳,而《蜘蛛人 2》电影里,八爪博士制造出的核融合装置,就长得一副太阳的样子。

核融合发电的优点与困难

相较於传统的核能电厂,核融合发电拥有许多优点。首先,在许多人担心的安全性问题上,核融合发电不可能出现像是炉心熔毁或热失控等状况。因为核融合发电所需的「燃料」(虽然核反应不算是燃烧)需要人为持续提供,而且核融合反应的环境也需要精密控制,所以一旦系统出现状况,就会使得整个发电程序停止运作——换言之,不可能「爆走」。

但核融合发电在安全性上的优点,也是它最大的缺点——因为核融合反应实在太容易动不动就停止了,科学家们想方设法,目前也没办法做到让反应炉持续不间断地运作;换言之,它不具有商业发电的价值。也是因为这样,我们在新闻里常会看到,某国科学家成功突破纪录,让核融合反应持续了几秒钟或几分钟。而如何让核融合反应炉能够持续运作,就成为相关研究最重要的课题之一。

除了安全性问题之外,核能发电产生的核废料也常为人所诟病。不可否认,目前的核能发电方式,会产生具辐射性的核废料,半衰期从数百年到百万年不等,而台湾一直未能设立核废料的最终处置场,全世界至今也没有任何一座高阶核废料处置设施正式运转。预计最快要到 2024 年,在芬兰才会有全球第一座的高阶核废料永久处置场正式启用。然而,台湾的地质条件跟芬兰完全不同,能否找到适合的最终处置场,仍是个问号。

那麽在核融合发电,也会面临核废料的难题吗?答案既是,也不是。核融合发电也会产生核废料,但其属於低阶核废料,基本上就是工作人员使用过後的防护衣和清洁用品,以及反应炉的腔壁等。这些核废料的半衰期大体而言都不长;因情况而异,约数十年到数百年,其辐射水平即可回覆到接近一般环境的背景值。所以,做为结论,核融合发电还是会产生核废料,但相较於现有的核能发电,其危险程度以及对环境的影响要小上很多。

最後,核融合发电还有另一个优势:燃料。现在的核能发电,主要使用铀 -235 做为燃料;虽然全球的铀矿矿藏相对丰富,根据世界核能协会(World Nuclear Association)的估计,足够人类再使用 90 年,但并非取之不竭。相对地,核融合发电常用的燃料是氢的同位素——氘和氚;而氢在地球上极为丰富,要制备氘和氚也并不困难。换句话说,人类完全不需要担心核融合的燃料不够这种事情。除此之外,在核融合过程中,还会运用到锂,它可帮助生成反应所需的氚,而幸好锂的存量在地球上也是非常丰富,若把陆地上和海洋中的锂都考虑进来,同样不需要担心锂会用光。[1]

核融合发电的分类

在核融合发电中,为了让相异原子核能够进行融合,一般会将其加热到一亿度上下的高温。一种作法是,利用雷射直接或间接加热装了燃料的胶囊,以诱发胶囊内部燃料的核融合反应,称为惯性局限融合(Inertial confinement fusion)。

另一种常见的作法则是,将燃料加热,使其成为电浆状态。很显然地,一亿度的电浆,是没有任何容器可以盛装的;所以科学家会利用强大的磁场,拘束住电浆,让核融合反应能够稳定持续地发生,称为磁局限融合(magnetic confinement fusion)。八爪博士制造的机器,就比较接近这样的作法。但跟电影不同的是,现实里的研究人员是不可能直接站在高温电浆旁边的。八爪博士的设计,跟现实不但有差距,而且也显然更危险。

上述核融合发电方式,全部都需要人为地产生高温,让核融合得以发生——但这并不表示核融合只能在高温环境中产生。实际上,早在 1950 年代,科学家就发现,确实有核融合反应在低温环境即可发生,现在称为缈子催化融合(muon-catalyzed fusion)。缈子是一种性质跟电子非常类似,但质量比电子大得多、且非常容易衰变的基本粒子。若在氘和氚组成的氢分子中,用缈子取代电子,那麽该氢分子内部的氘和氚,甚至在室温就可能产生核融合反应。

只不过,缈子的备制不仅需要花费大量能量,其迅速衰变的性质,也让我们很难拿来作为核融合发电之用,再考虑到其他的技术性问题,使得目前的核融合研究,都是朝着高温的方向进行。

然而,1989 年,有两位科学家声称,成功在室温环境下,以他们发现的新方法实现了核融合反应。这样的消息迅速获得媒体注意,并被大肆报导,人们对实现低温核融合又开始寄予期望。很可惜地,其他科学家尝试复制两人的实验成果,却都无法成功;另一方面,科学社群也发现了两人实验上的瑕疵。於是,沸腾一时的「冷融合」话题就这麽烟消云散。现在,虽然仍有少部分人从事相关研究,但都未能成气候。

尽管如此,或许因为冷融合很有话题性,这个议题并未在媒体上消失;2011 年美国好莱坞甚至以冷融合为主题,拍了一部 IMDb 超低分的电影,英文片名就是冷融合(cold fusion),台湾翻译成《关键核爆》,剧情甚至把幽浮(UFO)都扯进来了。

延伸阅读:八爪博士4ni!?《蜘蛛人》里的人造太阳或将问世?(下)

参考资料

  • 世界核能协会
  • 2021世界核能产业现况报告
  • World Nuclear Performance Report 2021 COP26 Edition
  • 国际热核融合实验反应炉
  • 国际原子能总署
  • 马克斯‧普朗克电浆物理学研究所
  • JT-60U Experimental Report No. 46
  • Muon-catalyzed fusion – Wikipedia
  • Inertial confinement fusion – Wikipedia
  • Magnetic confinement fusion – Wikipedia

[1] 其实,铀也存在海洋中。若考虑到海水中的铀,那麽基本上人类也不用担心铀矿不足。只不过,铀在海水中浓度极低,约 10 亿分之 3,不论在运用的技术还是成本上,挑战都很高。


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