核融合
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總論
現(xiàn)代的核電廠使用的發(fā)電技術(shù)，稱為「核分裂」，是利用中子撞擊一顆重原子（通常為鈾或鈽）后，重原子會「分裂」成兩顆輕的原子，并在過程中放出能量。核融合則是相反的過程，將兩顆輕的原子核對撞后，形成一顆較重的原子，并在過程中放出能量。不論哪一種，能量的來源都是核反應(yīng)的過程中減少的質(zhì)量，透過愛老的著名公式 E=mc 轉(zhuǎn)換。
核分裂技術(shù)最早在 1940 年代初試驗(yàn)成功，1954年蘇聯(lián)就有第一個核能發(fā)電廠在運(yùn)轉(zhuǎn)了。相較之下，核融合（亦稱核聚變）技術(shù)大約在 1950年代初試驗(yàn)成功，但直到五十多年后的今天，仍然是個近在眼前，卻構(gòu)之不及的夢想。核融合技術(shù)到底是為什么這么吸引人？為什么經(jīng)過這么久的研究還沒有個結(jié)果？
核融合的原理
前面說過了，核融合是將兩顆輕的原子核對撞后，產(chǎn)生出一顆較重的原子（和其它粒子），并在過程中放出能量。這種反應(yīng)是星球發(fā)光發(fā)熱的主要能量來源，也是氫彈威力比核分裂彈更大的主因。
原子由帶負(fù)電的電子、帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子所組成，質(zhì)子和中子在原子的中心組成原子核，電子則在外面繞圈圈。正常情況下，同樣帶正電的兩顆質(zhì)子應(yīng)該會互相排斥，但在原子核的那種超小的距離尺度下，另一種稱為「核力」的力量會強(qiáng)過電磁力，讓質(zhì)子和質(zhì)子（透過中子）可以黏在一起。
要把兩顆原子核撞在一起（電子與核融合反應(yīng)無關(guān)）是非常困難的：兩顆原子核同樣各自帶正電，因此實(shí)際上把兩個原子核撞在一起時，也會有一股相斥的電磁力必須要克服，直到兩顆原子核近到核力的影響大于電磁力時，兩顆原子核就會「啵」的黏在一起，核融合就發(fā)生了。
核融合的困難
要如何克服原子核間相斥的電磁力，就是核融合至今還在實(shí)驗(yàn)階段的主因。在太陽內(nèi)部和氫彈這兩個已知的范例中，都是靠加熱反應(yīng)的物質(zhì)到極高的溫度（太陽是因?yàn)閮?nèi)部的高壓和持續(xù)的核融合反應(yīng)，氫彈則是因?yàn)橄纫艘活w核分裂彈，使得核融合的環(huán)境能達(dá)成），使各別的原子核有足夠的動能穿過電磁力的壁壘（稱為庫侖障壁），靠近到核力可以發(fā)揮作用的距離。
在反應(yīng)爐中產(chǎn)生這種超級高熱，以維持核融合反應(yīng)的發(fā)生，是目前兩種最可行的方法中，看起來比較有希望的核融合方法。利用甜甜圈型的電磁場，可以將帶正電的原子核（電子因?yàn)楦邿嵋呀?jīng)被扯離原子核，形成電漿）封閉在反應(yīng)爐環(huán)狀部份的中心，并且發(fā)生反應(yīng)。這種反應(yīng)爐的技術(shù)挑戰(zhàn)在于高溫的維持 --理論上反應(yīng)爐「點(diǎn)火」（提供初期的能量，直到核融合反應(yīng)能發(fā)生）后，核融合反應(yīng)的能量之大，應(yīng)該要能在維持高溫之余，還要有額外的能量供給出來。但目前為止的試驗(yàn)爐最高輸出能量只能達(dá)到輸入能量的 70%，自然無法維持核融合反應(yīng)。剛開始興建的 ITER實(shí)驗(yàn)反應(yīng)爐預(yù)計(jì) 2018 年完工，綜合了以往各反應(yīng)爐的經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)將首度達(dá)成輸出大于輸入的目標(biāo)，并且維特點(diǎn)火時間至少 400 秒。最終 ITER或許可以達(dá)成輸出能量為輸入能量的 5~10 倍，并點(diǎn)火 1000 秒，但即使如此，仍不足以商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn) -- 要等到再下一代的 DEMO，達(dá)成輸出為輸入能量的 25 倍以上，才有可能做為經(jīng)濟(jì)的發(fā)電方式被人們利用。
另一種可行的方式，是利用激光來進(jìn)行核融合，稱為ICF。燃料會被做成針頭大小的小彈丸，并由四面八方發(fā)射激光到這個目標(biāo)上。當(dāng)激光射到燃料丸的表面時，會瞬間引爆燃料丸的外殼，爆炸產(chǎn)生的震波如果能均勻而且同步的從彈丸的表面?zhèn)鞯綇椡鑳?nèi)部，就能壓縮最核心的燃料到能引發(fā)核融合反應(yīng)的程度。核融合反應(yīng)一旦發(fā)生，連鎖反應(yīng)就能將燃料丸剩余的部份燃燒一空，產(chǎn)生大量的能量。一直以來，用這種方式進(jìn)行核融合都很失敗，因?yàn)橐剂贤栊枰鄠€激光束精確的同步點(diǎn)燃燃料丸，但最近在激光技術(shù)上的發(fā)展讓美國對激光核融合的興趣再度大增。即將完工的 NIF 就是第一個有會達(dá)成點(diǎn)火的激光式核融合反應(yīng)爐，預(yù)計(jì) 2009 啟用，2010 年就可以知道這種方式到底有沒有前途了。下一代的系統(tǒng)是歐洲預(yù)計(jì) 2010 年開始興建的 HiPER，因?yàn)槭褂玫湍芰康募す?，有可能為商用運(yùn)轉(zhuǎn)的 ICF 鋪路。
核融合的燃料
任何輕原子核理論上都能撞在一塊產(chǎn)生能量，但原子序愈高的元素（即質(zhì)子愈多），原子核間的排斥力就愈大，引燃的條件也就愈苛刻，所以大部份的研究都放在最輕的幾種元素上。最有前途的燃料組合有三種，分別稱為 D-T、D-D 和 p-B 反應(yīng)。
D-T -> He + n
D-T反應(yīng)的燃料，是氫的同位素氘（一顆質(zhì)子一顆中子）和氚（一顆質(zhì)子兩顆中子），反應(yīng)之后會產(chǎn)生氦、一顆中子和能量。D-T反應(yīng)是目前所有核融合反應(yīng)中最有前途的一個，因?yàn)樗姆磻?yīng)溫度最低，比較容易達(dá)成。兩種原料中，氘是一種穩(wěn)定存在于自然的物質(zhì)，海里就有一大堆，但氚因?yàn)槭?a href="/w/%E6%94%BE%E5%B0%84%E6%80%A7%E5%90%8C%E4%BD%8D%E7%B4%A0" title="放射性同位素">放射性同位素，半衰期只有 12.32 年，因此自然中含量極其稀少，必需要靠鋰的核滋生反應(yīng)來取得。這使得 D-T反應(yīng)仍然會受到鋰來源的限制，但估計(jì)燃料來源至少可以撐個 5000 年沒問題。D-T 反應(yīng)還有一些安全上的問題，等一下會再另外說明。
D-D -> T + p
->He + n
D-D反應(yīng)是拿氘和氘反應(yīng)，因此燃料來源可以說是無窮無盡的。D-D反應(yīng)有兩種不同的反應(yīng)式，一共會產(chǎn)生氚、氦-3（少一個中子的氦同位素）、質(zhì)子和中子，當(dāng)中氚還可以再和氘進(jìn)行 D-T 反應(yīng)?？上Ш?D-T反應(yīng)相比，D-D 反應(yīng)需要 D-T 反應(yīng) 30 倍的能量密封性（因?yàn)榉磻?yīng)所需的溫度高很多），而且產(chǎn)生的能量也比 D-T 反應(yīng)少 68 倍。
p-B -> 3 He
p-B 反應(yīng)是拿質(zhì)子去撞硼最常見的同位素硼-11，產(chǎn)生三個氦原子核。這種反應(yīng)的特色是沒有中子的產(chǎn)生，但反應(yīng)所需的溫度約是氫同位素反應(yīng)的十倍，產(chǎn)生的能量卻只有氫同位素的 1/2500，因此之前提過的兩種核融合反應(yīng)方式，都不再適用。
核融合的危險(xiǎn)
常有人說核融合是安全、干凈的能源，其實(shí)并不盡然。核融合反應(yīng)爐確實(shí)不可能發(fā)生像核分裂反應(yīng)爐那樣的大規(guī)模融爐和輻射外泄事件，因?yàn)榘l(fā)生核融合的條件實(shí)在太苛刻了。以磁場限制型核融合反應(yīng)爐來說，只有磁場稍有不穩(wěn)定，反應(yīng)爐內(nèi)的燃料就會立即喪失反應(yīng)能力，反應(yīng)爐也會立即熄火?？梢哉f目前開發(fā)核融合發(fā)電的所有困難點(diǎn)，正是未來核融合爐使用時的保障。
但另一方面，使用的原料是不是安全，又是另一個問題了。氚之前說過了，是一種放射性物質(zhì)，如果外泄到了大氣中，一樣會有幅射污染的危險(xiǎn)。但還好的是，氚的半衰期只有 12 年，和核分裂原料動軋數(shù)百萬年的半衰期相比，對環(huán)境來說是安全很多。
此外，核融合產(chǎn)生的中子因?yàn)椴粠щ姾?，因此不能被留在電場中。這些高能的中子會撞擊反應(yīng)爐周邊的材料，久而久之，有一定的機(jī)會將周圍的的材料轉(zhuǎn)變成輻射廢棄物（這就是為什么 p-B 反應(yīng)也在研究之列的原因）?！ ?/p>
無中子核融合
D + He ->He + p
這就是先前提到的氘+氦3 -> 氦4 +質(zhì)子的反應(yīng)。質(zhì)子帶正電，所以會被限制在電磁場內(nèi)，不會四處亂轟炸周圍的材質(zhì)，氘、氦3 和氦4也都是無幅射的物質(zhì)，所以看起來很干凈?？上У氖?，因?yàn)殡?氦3 反應(yīng)的溫度比 D-D 反應(yīng)高，所以做為氘-氦3反應(yīng)原料的氘會有一部份自行先進(jìn)行融合，放出中子。這個比例可以控制在幾個百分點(diǎn)內(nèi)，但卻不能完全根除，所以其實(shí)氘+氦3 反應(yīng)并不是完全干凈的。
但終究它是比單純的 D-D 反應(yīng)或 D-T反應(yīng)要干凈多了，而且還有幾個額外的好處：首先，它反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子可以用非熱力的方式發(fā)電，能量轉(zhuǎn)換效率可能達(dá)到 70%（以熱推動蒸汽機(jī)最高約35%）。其次它產(chǎn)生的能量還不錯，以 100% 的能量轉(zhuǎn)換效率之下，6g 的氦3 和相對應(yīng)量的氘反應(yīng)，可以產(chǎn)生約 1000 MW-h的能量。最后，它需要的反應(yīng)條件雖然高出其它幾種無中子核融合甚多，但還在發(fā)展中的磁力型和激光型核融合反應(yīng)爐的能力之內(nèi)，或許不用像 p-B 反應(yīng)那樣還要發(fā)展新技術(shù)。因此許多人認(rèn)為這是個不錯的第二代技術(shù)，在真正的無中子核融合出現(xiàn)前墊一下檔。
氦3 從哪來？
氦3 的來源有幾個。地球上的自然氦3少得可憐，地殼中含有的氦本來就不多，而氦3則大約只占氦總量的五十萬分，直接從土里開采根本不合算。天然氣中也有氦，而且其中氦3占的比例比較高，但就算全美國的天然氣儲存加起來，或許里頭只有 10~100kg，可能供應(yīng)一座 1000 MW的發(fā)電廠運(yùn)轉(zhuǎn)一年都不夠（24hr x 365 天 x 6g x 1.42 約等于 75公斤）。因此想要取得氦3只能用人造的，或是尋求地球以外的來源。
人造的方法，就是等待氚自然衰變，或是用中子轟炸鋰、硼、氮等元素。然而，當(dāng)初改用氦3，就是為了避免使用氚的危險(xiǎn)，這下子又繞回來了，何苦呢？何況氚的來源也不是那么豐富。至于用高能中子轟炸元素，除了過程本身會耗去大量的能量外，又會產(chǎn)生一堆受到中子轟炸而產(chǎn)生的幅射廢棄物，所以人造這條路似乎也不是很可行。
最后，只好前往外層空間挖啦。月球是首選（！），因?yàn)樵虑虮砻胬鄯e有數(shù)十億來隨著太陽風(fēng)而來的氦3 ，含量高的地方每 100 噸里可能有 15g（15 ppb），存量少的地方則可能只有3g。但因?yàn)檎麄€月表都有，所以可開采的總存量大約在 250 萬噸之普，夠地球人用很久，很久，很久。但是以目前的技術(shù)上月球開采并不實(shí)際 --太貴，也太大工程了。更進(jìn)一步的可能性，是前往太陽系里的大號行星 -- 木星、土星等開采，不僅含量更高，開采也更容易。只是要將氦3從重力井中拉出來要大量的能量，也不一定符合經(jīng)濟(jì)效益?！ ?/p>
幾種無中子核融合反應(yīng)
除了氘 - 氦3反應(yīng)之外，還有許多種其它的無中子核融合反應(yīng)，但大多都有各式各樣的困難。如果能以氘 - 氦3反應(yīng)為跳板，取得穩(wěn)定的氦3 來源的話，那 He+He -> He + 2p 是很合理的下一步。這個反應(yīng)有 氘 - 氦3 反應(yīng)的所有優(yōu)點(diǎn)，而又沒有氘 - 氦3 放出中子的缺點(diǎn)。另一種可能的反應(yīng)是兩個反應(yīng)的連鎖，分別是 p+Li ->He + He 和 He + Li -> 2He + p?？偤舷聛韮蓚€反應(yīng)會消耗 Li、產(chǎn)生 He，但科學(xué)家的計(jì)算是即使兩個反應(yīng)互相提供原料給對方，對減低反應(yīng)所需溫度的幫助還是有限，所以恐怕也是此路不通。
最后有兩種質(zhì)子和較重的原子核的反應(yīng) p+Li -> 2 He 和 p+B -> 3He。兩相比較，前者的排斥力比較小，但后者的目標(biāo)比較大，比較容易被質(zhì)子命中，最后算下來還是后者比較容易（所以在第一篇是這寫這個）。只是這個「比較容易」完全是相對而言的，和 D-T 反應(yīng)比起來，p-B 反應(yīng)需要的能量太高了，光溫度估計(jì)就要攝氏 66 億度，約是 D-T 反應(yīng)的十倍。而且，以產(chǎn)生的能量來算，p-B 反應(yīng)只有 D-T 的 1/3，所以要讓反應(yīng)能持續(xù)進(jìn)行，勢必要更好的能量保存機(jī)制，現(xiàn)有的磁力限制和激光壓縮式核融合會讓太多能量以廢熱和高能射線的形式散去，因此不足以進(jìn)行 p-B 反應(yīng)。要達(dá)到完全干凈的核融合還真是困難啊！
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