聚變能源 ITER「人造太陽」化解能源危機？｜STEM教室

俄烏戰事持續，歐美多個國家都對俄羅斯作出制裁，希望以此令俄羅斯停戰。然而，在其中一項經濟制裁中，不少歐洲國家卻產生分歧——針對能源出口有不同取態。

俄羅斯以售賣石油及天然氣為重要的收入來源，原本限制其出口或能削減其戰爭資金，然而不少歐洲國家，如德國，非常依賴俄羅斯的天然氣，因此難以完全停止入口，否則將有可能出現能源危機。雖然我們現時積極發展綠色能源，但基於不同原因，它們都未成為我們的主要能量來源。以核能發電為例，縱然它能產生大量能源，但卻有泄漏風險。

不過，同樣與核子反應有關的另一種產能方式，近期則有所突破，今期就讓我們了解一下這個被稱為「人造太陽」的能源吧！

問題：能源危機 迫在眉睫

第 26 屆聯合國氣候變遷大會（COP26）通過了《格拉斯哥氣候公約》， 要求控制全球氣溫升幅在1.5度之下，因此須要各國減排或採用可再生能源。事實上，不少國家或地區已開始進行「能源改革」，例如希臘近年大力發展新能源，除風力、水力、太陽能等，生物柴油也是其重要發展領域，現時希臘已做到九成本地生產；英國不少城市，如伯明翰、愛丁堡及紐卡素等，亦嘗試於2030年達成淨零排放。

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然而，不少地區正努力改變時，由於氣候變化、新冠疫情、燃料短缺等問題，以至全球多國都遇上能源危機。看來各地除了要仔細調整可再生能源使用比例，還要盡快發展新技術，以能填補因減少傳統能源的使用所帶來的缺口。

說到新技術，以下有關核子反應的綠色能源值得大家留意。

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圖一：希臘電力能量來源趨勢

基礎：原子結構初究

在介紹新能源技術前，我們先了解一下物理現象。我們知道所有物質都由原子 （atom）以不同排列方式組成，但深入原子內部還有甚麼呢？從圖二可見，原子的結構並不簡單。中心的原子核（atomic nucleus）擁有兩種核子 （nucleon），紅色的是帶正極的質子（proton）、綠色的是中性的中子（neutron），而圍繞這個原子核轉的粒子則是帶負極的電子（electron），在一個中性的原子裏，電子與質子的數量是一樣的，從而能夠保持電荷平衡。根據波耳模型（Bohr model），電子的能量可被量化，並會在不同電子層（electron shell）以不同軌迹環繞中心。

圖二：原子內部結構E

原子核的能量

我們再看看原子核，或許你們會想，既然所有質子是帶正極的，豈非「同性相拒」，會產生排斥嗎？答案是不會的。如果再深入原子核，我們會發現質子和中子其實並非最細小的基本粒子，它們每粒都是由膠子（gluon）傳遞強相互作用（strong interaction）把三個夸克（quark）捆綁一起而成。而這種作用力除了應用在夸克中，亦應用於核子間的互動。

強作用力在原子核這個非常短的範圍內會比電排斥力強，因此能把質子和中子聚成一起，我們稱之為「核力」。如想分拆各個核子，就需提供足夠能量，而此能源要求被稱為「核結合能」（nuclear binding energy），這與接着所說的核子產能有莫大關係。

圖三：每個元素的核結合能

進階：核裂變與核聚變

核裂變（nuclear fission）和核聚變（nuclear fusion）皆與中心的原子核有關。

先談核裂變。根據名稱，我們可猜想到這與原子核分裂有關。一些元素會進行天然衰變從而令中心的核子數量減少，例如鈾 -238${\mathrm{（U}}^{238}$）會經 α 衰變成為釷-234（${Th}^{234}$），同時釋放一顆 α 粒子（即He⁴粒子，內有質子和中子各兩顆）。不過由於衰變周期不能改變，為提升分裂速度，人們會先尋找「可分裂物質」（fissile materials，例如鈾 -235（U${}^{235}$）），然後發射一粒中子擊打這些物質。原子核會因而出現變形（deformation），並於很短時間內出現分裂，繼而釋出兩至三顆中子。

核裂變：質量變化能量

科學家發現，分裂後的物質質量總和會比分裂前原本的物質為低，那麼這些質量去了哪裏？根據愛因斯坦的著名公式 E=mc²，能量（E）與質量（m）是互通的，「消失了的質量」會轉化為能量輸出，亦即上文提及的核結合能。

從圖三可見，當右邊的U${}^{}$ 235進行核裂變時，原子核裏的核子數量減少，核結合能提升，當中的能量差就是一次核子反應所釋出的能量。這就是現時核電廠裏的核裂變運作原理，核能轉化為熱能，把水沸騰，水蒸氣推動發電機裏的渦輪機，產生電力。每次核子反應所釋出的中子，會用作激發下一次的核子反應，形成連鎖反應。

圖四：核裂變過程

核聚變：提升核結合能

核能比其他能源都強大，是由於原子能所釋出的能量比一般化學反應（如燃燒相同質量的化石燃料）高很多倍。但再看看圖三，核裂變是由圖右端向左，因而核結合能 上升；那麼由左端向右，核結合能升幅卻更大，不是產生更高能量嗎？這正是核聚變的原理，亦是人們想發展的技術。

要製造如此大的能量，在大自然中就只有太陽能夠做到。太陽的主要成分為氫和氦，四顆氫原子經過一系列聚合反應後就會結合成氦粒子。與核裂變一樣，反應後的物 質質量比反應前的氫原子質量總和為低，中間的質量差會轉化為能量，從而釋放核能。

圖五：核聚變過程

探究：人類如何在地球建立太陽？

雖知核聚變可產生更高能量，但進行核聚變的條件並不容易。

• 首先，我們需要高溫，用以把原子核及電子分離（形成電漿／等離子體），上文提及過核子之間強作用力能夠克服質子之間的電排斥力，但當去到原子規模，強作用力就變弱，高溫能給予粒子更多動力來對抗電排斥力。
• 其次，要克服電排斥力，我們要把兩個原子帶到1飛米（10-15米，比頭髮寬度短一百億倍）的距離，這需要高壓力的環境。
• 再者，我們希望核聚變反應能如核裂變的連鎖反應般，能夠持續以及能夠控制；過往人們試過以核聚變原理製造過氫彈，但爆炸過程極短暫且不受控。

營造高溫高壓環境

經過科學家們多年的努力，已可在地球打造一個類似太陽的環境來進行核聚變，如位於法國興建中的國際熱核聚變實驗反應堆（ITER），採用托克馬克（又稱環磁機）營造高溫高壓環境；有別於太陽利用四個氫原子，ITER以一個重氫（deuterium, H2）及一個超重氫（tritium, H3）原子（兩者都是氫的同位素）來進行核聚變，由於它們的原子核比普通氫原子多了一至二顆中子，強作用力加強，因而減低溫度要求。以ITER為例，看看它採用了甚麼技術來解決上述的問題吧！

核聚變條件：

• 高溫（超過一億度）、高壓
• 可持續（包括保持高溫高壓，有充足燃料，並使等離子體與外界封閉等）

(1) 高溫、高壓

a. 太陽：

• 太陽核心的高溫，加上太陽的大質量形成強大重力壓縮其核心
• 大質量及重力擠壓核心的氫原子至極近距離

b. ITER（地球沒有如太陽的大質量與重力）：

• 磁石系統（Magnet system）用以進行磁約束聚變（magnetic confinement fusion），利用等離子體導電特性，磁場能令等離子體在移動時產生向心力，從而約束在環狀的托克馬克裝置內。磁場愈強大，等離子體能夠約束在更小的空間並移動得更快，從而做到加熱加壓的效果。
• 中性束注入（Neutral beam injection）把高能量的中性粒子射在等離子體中，粒子碰撞令中性粒子離子化，令它們也會約束在磁場中，並通過更多碰撞把能量傳遞給等離子體，加熱加壓。

(2) 可持續

a. 太陽：

• 巨大重力令等離子體處於封閉狀態，核心內的氫原子數量足以進行約50億年的核聚變

b. ITER（地球沒有如太陽的大質量與重力）：

• 真空管道（vacuum vessel）真空環境使管道內只有核聚變燃料（即重氫和超重氫），並與外界封閉，提升聚變效率；雙層鋼鐵管道能抵擋高能量粒子撞擊，保護磁力系統及其他裝置。
• 滋生圍包（breeder blanket）超重氫於天然環境中頗罕有，須要人工製造。由於超重氫只是重氫再加上一顆中子，因此滋生圍包用作收集核聚變時釋出的高能量中子，並與重氫結合，滋生出超重氫，從而製造足夠燃料。

補充資料

突破進展：時間與能量

除了創新技術，ITER 還需更多不同設備，例如低溫恒溫器（cryostat），使管道和磁石等在核聚變反應時仍能保持低溫，從而不會過熱熔掉；偏濾器 （divertor），用以清除反應中的廢物及等離子中的雜質；冷卻系統，與核電廠系統相若，即以水吸收熱能，使管道降溫，而熱能會繼而轉化為電力。

ITER 預計於2025年全面建成，並開始首階段實驗，而現時亦有不少地方開展了核聚變研究和實驗，並得到突破性進展。例如中國EAST於去年成功運行逾1,000秒，創下最長運作時間；而歐洲聯合環狀反應爐 JET 亦於同年年尾成功在五秒鐘內製造五千九百萬焦耳能量，創世界紀錄。這些進展意味着我們愈來愈接近做到持續高輸出產能方式。

圖六：ITER的托克馬克（Tokamak）裝置

運行403秒 中國人造太陽創造新世界紀錄：

結語：把太陽「帶到」地球

由一百年前對太陽的研究，到一百年後把太陽「帶到」地球，科學家們不斷令不可能變成可能，例如在地球做到比太陽核心更高的溫度、裝置能夠在極高溫下運作、能量輸出超過加熱和約束等離子體所需的能量輸入等等。

核聚變產能利用水為原材料，不會產生廢氣，我們若能好好發展這個產能極大的潔淨能源，或有助長遠解決能源問題。

文：劉心　圖：Our World in Data、低碳力、中國核電網、新華社、網上圖片