中國人造太陽懶人包:聚變能源比核能安全不會核爆

國情動向 20:21 2020/12/09

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【中國人造太陽懶人包】聚變能源比核能安全不會核爆

中國「人造太陽」中國環流器二號M裝置(HL-2M)在四川成都建成,並順利展開首次發電試驗。「人造太陽」是人類研究和嘗試掌握核聚變能源(聚變能)的裝置,聚變能比傳統核能更為強大,卻沒有核能的壞處,有望一舉解決人類今後多年能源需求。那麼聚變能與核能有何分別?聚變能又有否引發類似氫彈爆炸的風險?

  • 聚變能是甚麼?

聚變能(fusion power)是採用核聚變原理,提供能量的能源,運作與太陽以及其他恆星類似,因此聚變能裝置俗稱「人造太陽」。

聚變能嚴格上也是核子能源的一種,但語文用法一般都把兩者分拆以資識別,傳統核能仍稱「核能」。

  • 聚變能與核能有何分別?

核能背後原理是核裂變(nuclear fission),也就是將較大的原子打散成較小的原子,以獲取過程中釋出的能量。

聚變能所用的核聚變(nuclear fusion)則相反,把較小的原子結合成較大的原子。

無論是核聚變,還是核裂變,輸出的原子質量都比輸入的小,「失去了」的部分則化為了能量。

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  • 聚變能為何勝過核能?

強力:核聚變是太陽發光發熱的原理,可想而知有多強大。聚變能在同等質量原料下,釋放能量是核能的4倍(更是化石燃料的400萬倍,同時不會釋放溫室氣體)。

乾淨:核能會產生無法繼續提供足夠能量,但會持續釋放有害輻射成千上萬年的核廢料。聚變能主要副產品是氦(helium),這是一種無毒的惰性氣體;另一種副產品氚(tritium)即使有輻射亦很弱,而且維持時間短。

安全:聚變能不涉及連鎖反應,無法像日本福島、蘇聯切爾諾貝爾或美國三里島一樣發生核事故災難。聚變能一旦失去穩定,也只會因為失去所需的極高溫而停止運作。

  • 氫彈不就是核聚變武器嗎?

沒錯,但聚變能發電與氫彈原理卻不盡相同,不會如氫彈般核爆炸。

氫彈雖是將氫原子結合為氦原子的核聚變武器,但氫彈內部必須備配原子彈作為起爆裝置。原子彈是核裂變武器,以連鎖反應來提供足夠能量觸發核聚變反應,引爆氫彈。

聚變能所用燃料以及輸出副產品,都不涉及可以用作核武器的物質,沒有核能和核武的安全問題,也無核擴散之憂。

  • 聚變能這麼好用,為何不早用?

人類至今尚未找到,能長期維持核聚變過程處於受控穩定狀態的辦法。核聚變技術應用仍停留於不可控的氫彈爆炸,頗是尷尬。

目前「人造太陽」技術所能維持的穩定核聚變時間,都以秒來計算。中國環流器二號M裝置能維持10秒,在國際上已算很長。

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  • 人造太陽怎樣維持核聚變穩定?

人造太陽技術現時有2大主流。

托卡馬克(Tokamak):又稱磁局限融合(magnetic confinement fusion)磁環機,利用磁場來約束等離子體(又稱電漿,即太陽上物質的狀態),使之形成一個環形,並維持當中極高溫度,保持核聚變作用。中國環流器二號M就是托卡馬克式裝置。

慣性局限融合(inertial confinement fusion):以鐳射照射等離子球,使之外層爆裂,並形成對內反作用力,維持高溫高壓的核聚變作用環境。美國「國家點火設施」(NIF,National Ignition Facility)就是使用慣性局限融合技術的裝置。

  • 人造太陽技術有多難?

中國環流器二號M裝置項目負責人劉永指出,要實現可控核聚變反應,必須滿足3個苛刻條件。

一是溫度要足夠高,使燃料變成超過攝氏1億度的等離子體。相比下,太陽內部溫度「只有」1,500萬至2,000萬度。

二是密度要足夠高,這樣等離子體內物質原子核互相碰撞、釋放能量的概率才足夠大。

三是等離子體在有限的空間裏,受約束的時間要足夠長。 一旦沒法約束等離子體,它就會散開迅速降溫,無法維持核聚變作用。

  • 哪些國家在搞人造太陽?

國際熱核聚變實驗堆(ITER,International Thermonuclear Experimental Reactor)計劃是目前全球規模最大的人造太陽計劃,參與國家合共35個,基本上就是全部在研究人造太陽技術的國家。

ITER計劃正式成員包括中國、美國、俄羅斯、日本、南韓、印度,以及歐盟27國,另外澳洲、哈薩克以非成員身份參加。

ITER計劃正在法國南部馬賽以北小鎮Saint-Paul-lès-Durance,興建全球最大的托卡馬克裝置,預料2025年開始實驗。中國環流器二號M裝置現在建成,有利為ITER計劃提供技術支撐。

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責任編輯:連兆鋒

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