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人造太陽 未來的能源解方
中時新聞網     2024/06/25 04:10
 人類從1930年代開始有了「核分裂」的知識並應用到原子彈及核能發電。走了100多年,人類終於快要進入「核融合」的發電世界。

 1964年蘇聯天文學家尼古拉‧卡爾達肖夫首先提出量度文明層次及技術先進程度的一種假說,後來演變為「卡爾達肖夫指數」。他把能量級別文明分成三個等級:I型、II型和III型。其中I型文明使用在它的故鄉行星所有可用的能量,II型文明能利用其行星及所圍繞的恆星的所有能量,III型文明則利用它所處星系的所有能量。

 人類到目前雖使用了核電,但仍尚未達到I型文明的全部,大約只處在0.73級左右。II型文明最基本的就是要了解使用太陽的能量,而一般恆星能持續產生光和熱主要就是來自「核融合」。

 早期研究核分裂的一個目的就是為了發展原子彈。1942年開始的「曼哈頓計畫」到1945年7月初,美國終於研製出了3枚原子彈。原子彈是特殊設計的核子反應爐,要在原子彈因本身釋放能量而爆炸之前,盡快將大量的能量釋放出來。對比核電廠的核子反應爐,反而是希望持續的釋放能量。

 核電廠發電原理是用鈾製成的核燃料,在反應爐內進行核分裂並釋放出大量熱能,以此熱能來生成蒸汽,進而推動發電機發電。各國現有的核電廠均是透過核分裂產生能量。全球約10%電力來自核電,雖幾無碳排,可是產生廢棄物的放射性恐千年都不會消失。

 1950年代初期,氫彈的研究發現,利用重氫或氫的同位素(氘、氚)的核融合反應亦能釋放大量能量來進行殺傷破壞,之後人類開始研究用於民用目的的受控熱核融合。原子核帶正電,同性互斥,同為正電子會阻礙原子核的結合。核融合技術需使用幾乎上億度高溫讓氫或重氫的原子核變成電漿狀態,使相斥的原子核互相依附在一起。這等同於做出一顆太陽,相關技術也是核融合發電最難克服的技術之一。

 核融合既不產生會長久存在的廢棄物,也不會有二氧化碳和其他溫室氣體,且可用氫等常見元素透過原子融合,產生近乎無限的能量。現在稱核融合反應所產生的能量與維持反應器電漿體穩態的輸入裝置能量之比為Q值。核融合要有功效,起碼Q值要大於1。

 各國研究核融合,以蘇聯科學家建成「托克馬克」磁環裝置最為人熟知,1968年就展示了受控核融合的成果。1990年美、中、日等35個國家組成團隊,在法國投資建置成本高達140億美元的ITER(國際熱核實驗反應器),建造重達2萬3000噸的磁環,但進度落後,預計2025年才能取得初步結果。

 美國能源部轄下的「勞倫斯利佛莫爾國家實驗室(LLNL)」打造NIF(國家點火裝置),透過超高能量雷射光束集中在一個目標燃料上,造成核融合,釋放出能量。2022年底LLNL大動作宣布核融合的Q值首度大於1,達1.5,締造能源科技里程碑。

 值得台灣人驕傲的是,由台美兩地專家共同成立的聚界潔能國際公司(Alpha Ring International)另闢蹊徑,也是以電子催化方式加速核融合反應,開發小型核融合系統,大小僅似一台桌上型電腦主機,早在2021年8月台美實驗室就已達到Q值大於1的成果,目前更能連續運轉超過2小時。其評估Q值至少要達到3以上才有商業價值,屆時才會跨入發電市場,估計最快3至5年後實現,到時候就可深入社區、走入家庭,幫助世界人類找到核融合的能源解方。(作者為中信金控首席經濟學家、中信金融管理學院講座教授)