聚变能源 ITER「人造太阳」化解能源危机？｜STEM教室

俄乌战事持续，欧美多个国家都对俄罗斯作出制裁，希望以此令俄罗斯停战。然而，在其中一项经济制裁中，不少欧洲国家却产生分歧——针对能源出口有不同取态。

俄罗斯以售卖石油及天然气为重要的收入来源，原本限制其出口或能削减其战争资金，然而不少欧洲国家，如德国，非常依赖俄罗斯的天然气，因此难以完全停止入口，否则将有可能出现能源危机。虽然我们现时积极发展绿色能源，但基于不同原因，它们都未成为我们的主要能量来源。以核能发电为例，纵然它能产生大量能源，但却有泄漏风险。

不过，同样与核子反应有关的另一种产能方式，近期则有所突破，今期就让我们了解一下这个被称为「人造太阳」的能源吧！

问题：能源危机 迫在眉睫

第 26 届联合国气候变迁大会（COP26）通过了《格拉斯哥气候公约》， 要求控制全球气温升幅在1.5度之下，因此须要各国减排或采用可再生能源。事实上，不少国家或地区已开始进行「能源改革」，例如希腊近年大力发展新能源，除风力、水力、太阳能等，生物柴油也是其重要发展领域，现时希腊已做到九成本地生产；英国不少城市，如伯明翰、爱丁堡及纽卡素等，亦尝试于2030年达成净零排放。

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然而，不少地区正努力改变时，由于气候变化、新冠疫情、燃料短缺等问题，以至全球多国都遇上能源危机。看来各地除了要仔细调整可再生能源使用比例，还要尽快发展新技术，以能填补因减少传统能源的使用所带来的缺口。

说到新技术，以下有关核子反应的绿色能源值得大家留意。

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图一：希腊电力能量来源趋势

基础：原子结构初究

在介绍新能源技术前，我们先了解一下物理现象。我们知道所有物质都由原子 （atom）以不同排列方式组成，但深入原子内部还有甚么呢？从图二可见，原子的结构并不简单。中心的原子核（atomic nucleus）拥有两种核子 （nucleon），红色的是带正极的质子（proton）、绿色的是中性的中子（neutron），而围绕这个原子核转的粒子则是带负极的电子（electron），在一个中性的原子里，电子与质子的数量是一样的，从而能够保持电荷平衡。根据波耳模型（Bohr model），电子的能量可被量化，并会在不同电子层（electron shell）以不同轨迹环绕中心。

图二：原子内部结构E

原子核的能量

我们再看看原子核，或许你们会想，既然所有质子是带正极的，岂非「同性相拒」，会产生排斥吗？答案是不会的。如果再深入原子核，我们会发现质子和中子其实并非最细小的基本粒子，它们每粒都是由胶子（gluon）传递强相互作用（strong interaction）把三个夸克（quark）捆绑一起而成。而这种作用力除了应用在夸克中，亦应用于核子间的互动。

强作用力在原子核这个非常短的范围内会比电排斥力强，因此能把质子和中子聚成一起，我们称之为「核力」。如想分拆各个核子，就需提供足够能量，而此能源要求被称为「核结合能」（nuclear binding energy），这与接着所说的核子产能有莫大关系。

图三：每个元素的核结合能

进阶：核裂变与核聚变

核裂变（nuclear fission）和核聚变（nuclear fusion）皆与中心的原子核有关。

先谈核裂变。根据名称，我们可猜想到这与原子核分裂有关。一些元素会进行天然衰变从而令中心的核子数量减少，例如铀 -238${\mathrm{（U}}^{238}$）会经 α 衰变成为钍-234（${Th}^{234}$），同时释放一颗 α 粒子（即He⁴粒子，内有质子和中子各两颗）。不过由于衰变周期不能改变，为提升分裂速度，人们会先寻找「可分裂物质」（fissile materials，例如铀 -235（U${}^{235}$）），然后发射一粒中子击打这些物质。原子核会因而出现变形（deformation），并于很短时间内出现分裂，继而释出两至三颗中子。

核裂变：质量变化能量

科学家发现，分裂后的物质质量总和会比分裂前原本的物质为低，那么这些质量去了哪里？根据爱因斯坦的著名公式 E=mc²，能量（E）与质量（m）是互通的，「消失了的质量」会转化为能量输出，亦即上文提及的核结合能。

从图三可见，当右边的U${}^{}$ 235进行核裂变时，原子核里的核子数量减少，核结合能提升，当中的能量差就是一次核子反应所释出的能量。这就是现时核电厂里的核裂变运作原理，核能转化为热能，把水沸腾，水蒸气推动发电机里的涡轮机，产生电力。每次核子反应所释出的中子，会用作激发下一次的核子反应，形成连锁反应。

图四：核裂变过程

核聚变：提升核结合能

核能比其他能源都强大，是由于原子能所释出的能量比一般化学反应（如燃烧相同质量的化石燃料）高很多倍。但再看看图三，核裂变是由图右端向左，因而核结合能 上升；那么由左端向右，核结合能升幅却更大，不是产生更高能量吗？这正是核聚变的原理，亦是人们想发展的技术。

要制造如此大的能量，在大自然中就只有太阳能够做到。太阳的主要成分为氢和氦，四颗氢原子经过一系列聚合反应后就会结合成氦粒子。与核裂变一样，反应后的物 质质量比反应前的氢原子质量总和为低，中间的质量差会转化为能量，从而释放核能。

图五：核聚变过程

探究：人类如何在地球建立太阳？

虽知核聚变可产生更高能量，但进行核聚变的条件并不容易。

• 首先，我们需要高温，用以把原子核及电子分离（形成电浆／等离子体），上文提及过核子之间强作用力能够克服质子之间的电排斥力，但当去到原子规模，强作用力就变弱，高温能给予粒子更多动力来对抗电排斥力。
• 其次，要克服电排斥力，我们要把两个原子带到1飞米（10-15米，比头发宽度短一百亿倍）的距离，这需要高压力的环境。
• 再者，我们希望核聚变反应能如核裂变的连锁反应般，能够持续以及能够控制；过往人们试过以核聚变原理制造过氢弹，但爆炸过程极短暂且不受控。

营造高温高压环境

经过科学家们多年的努力，已可在地球打造一个类似太阳的环境来进行核聚变，如位于法国兴建中的国际热核聚变实验反应堆（ITER），采用托克马克（又称环磁机）营造高温高压环境；有别于太阳利用四个氢原子，ITER以一个重氢（deuterium, H2）及一个超重氢（tritium, H3）原子（两者都是氢的同位素）来进行核聚变，由于它们的原子核比普通氢原子多了一至二颗中子，强作用力加强，因而减低温度要求。以ITER为例，看看它采用了甚么技术来解决上述的问题吧！

核聚变条件：

• 高温（超过一亿度）、高压
• 可持续（包括保持高温高压，有充足燃料，并使等离子体与外界封闭等）

(1) 高温、高压

a. 太阳：

• 太阳核心的高温，加上太阳的大质量形成强大重力压缩其核心
• 大质量及重力挤压核心的氢原子至极近距离

b. ITER（地球没有如太阳的大质量与重力）：

• 磁石系统（Magnet system）用以进行磁约束聚变（magnetic confinement fusion），利用等离子体导电特性，磁场能令等离子体在移动时产生向心力，从而约束在环状的托克马克装置内。磁场愈强大，等离子体能够约束在更小的空间并移动得更快，从而做到加热加压的效果。
• 中性束注入（Neutral beam injection）把高能量的中性粒子射在等离子体中，粒子碰撞令中性粒子离子化，令它们也会约束在磁场中，并通过更多碰撞把能量传递给等离子体，加热加压。

(2) 可持续

a. 太阳：

• 巨大重力令等离子体处于封闭状态，核心内的氢原子数量足以进行约50亿年的核聚变

b. ITER（地球没有如太阳的大质量与重力）：

• 真空管道（vacuum vessel）真空环境使管道内只有核聚变燃料（即重氢和超重氢），并与外界封闭，提升聚变效率；双层钢铁管道能抵挡高能量粒子撞击，保护磁力系统及其他装置。
• 滋生围包（breeder blanket）超重氢于天然环境中颇罕有，须要人工制造。由于超重氢只是重氢再加上一颗中子，因此滋生围包用作收集核聚变时释出的高能量中子，并与重氢结合，滋生出超重氢，从而制造足够燃料。

补充资料

突破进展：时间与能量

除了创新技术，ITER 还需更多不同设备，例如低温恒温器（cryostat），使管道和磁石等在核聚变反应时仍能保持低温，从而不会过热熔掉；偏滤器 （divertor），用以清除反应中的废物及等离子中的杂质；冷却系统，与核电厂系统相若，即以水吸收热能，使管道降温，而热能会继而转化为电力。

ITER 预计于2025年全面建成，并开始首阶段实验，而现时亦有不少地方开展了核聚变研究和实验，并得到突破性进展。例如中国EAST于去年成功运行逾1,000秒，创下最长运作时间；而欧洲联合环状反应炉 JET 亦于同年年尾成功在五秒钟内制造五千九百万焦耳能量，创世界纪录。这些进展意味着我们愈来愈接近做到持续高输出产能方式。

图六：ITER的托克马克（Tokamak）装置

运行403秒 中国人造太阳创造新世界纪录：

结语：把太阳「带到」地球

由一百年前对太阳的研究，到一百年后把太阳「带到」地球，科学家们不断令不可能变成可能，例如在地球做到比太阳核心更高的温度、装置能够在极高温下运作、能量输出超过加热和约束等离子体所需的能量输入等等。

核聚变产能利用水为原材料，不会产生废气，我们若能好好发展这个产能极大的洁净能源，或有助长远解决能源问题。

文：刘心　图：Our World in Data、低碳力、中国核电网、新华社、网上图片