核融合發展趨勢與機會 -凯发平台网址

核 融 合 發 展 趨 勢 與 機 會

                                       台化公司化工三部

一、前言

造成地球暖化的原因之一是人類過度依賴煤、石油、天然氣等化石燃料,為解決地球暖化問題,必須減少化石燃料,剛落幕的「聯合國氣候變化綱要公約第二十八屆締約方大會(cop28)」,一百九十八國代表已達成共識,承諾「進行能源系統轉型,擺脫化石燃料」。但是預估二0五0年全球人口將成長到九十六億,而伴隨經濟成長與生活水準改善,預估能源需求將再增加百分之六十。雖然大家都有共識,努力節能減碳及開發再生能源,例如太陽能、風力與水力發電,但尋找一個穏定與無碳排的替代能源,減緩地球暖化與氣候變遷的威脅,有其迫切性。

傳統核能的應用,因其接近於無碳排能源,相當程度可以解決地球暖化問題,但是其安全性、放射性污染及核廢料難題,在經歷幾次世界級的核災事故後,普遍的認知與氛圍是談核色變。然而在第二十八屆氣候峰會中,美國氣候特使凱瑞啟動一項國際核融合參與計劃,這種無碳排科技可能成為未來世界能源關鍵的一部分,美國將和其他國家一起努力,加速核融合成為零碳排能源的新來源。本文想要從原子核的角度來探討傳統核反應(核分裂)與另一類型核反應(核融合)的差異,並說明核融合原理、發展趨勢及機會。

二、核反應的分類

原子核的化學反應有兩個主要類別,分別是核分裂(fission)與核融合(fusion),說明比較(如表一):

核反應類別

核 分 裂

核 融 合

反應原理

一顆大原子核分裂成二顆小原子核

二顆小原子核融合成一顆大原子核

燃料

鈾、鈽等,具有高放射性,經核分裂後殘留高放射性核廢料

氘、氚、氦三、氫、硼等,除氚外皆無放射性,經核融合反應後產生氦四,不會殘留放射性核廢料

單位釋放能量

一公斤鈾分裂可產生九百億千焦的熱量

氘-氚核融合放出能量是鈾分裂能量的七倍

核廢料

較多高放射性及低放射性核廢料

少部分低放射性核廢料

安全性

核分裂反應屬連鎖反應,操作失控會發生爐心熔毁的核災事故

核融合反應不會發生連鎖反應,安全性高,停止電漿運轉即中止反應

商業化技術

已商業運轉

開發中

表一:核分裂與核融合說明比較

 

現在的核能電廠能源來自於核分裂反應,它是利用較重的原子核分裂成較輕的原子核,過程中會釋放出大量的能量,最常用的燃料就是鈾,它是一種高放射性物質,分裂後的產物也具有放射性,核分裂反應一旦失控會發生爐心熔毁的核災事故,而核廢料處理也是一個難題。

核融合反應是太陽產生光和熱的方式,是將兩個較輕的氫原子核經核融合反應形成一個較重的氦原子核,放出巨大的能量,它的千萬分之一能量就足以供應地球生命所需要的光和熱,而它更大的優點是没有放射性,也没有爐心熔毁的核災問題,如果未來能夠使用核融合發電,將可以徹底解決能源問題及暖化問題,就像複製一個人造太陽一樣,可以得到安全、無碳排、廉價、源源不絕的乾淨能源。

三、核融合基本原理

核融合是將兩個較輕的原子核融合成一個較重的原子核,因原子核帶正電,要讓兩個原子核接近到可以進行核融合反應,需要克服兩者之間的排斥力。所有元素中氫的帶電荷最少,故氫是最容易達到核融合反應的物質,而氫的同位素氘與氚,因為分別多了一個、與二個中子,更容易進行核融合反應,也因為需要克服的排斥力較少,釋放出的能量就會更多。氫、氦及其常見同位素的特性說明比較(如表二):

元素

氫及其同位素

氦及其同位素

氕(氫) 1h

2h

3h

氦3 3he

4he

自然存量

99.9855%

0.0145%

極微

極微

少量

來源

甲烷裂解、輕油裂解、海水電解

海水

核反應爈裡用中子轟擊鋰製備

氚的自然衰變或以氘製備

少量天然氣含量0.5%~7%

質子數

1

1

1

2

2

中子數

0

1

2

1

2

原子量

1.0078

2.0141

3.0160

3.01603

4.0026

半衰期

稳定

稳定

12.32年

稳定

稳定

原子結構

     

表二:氫、氦及其常見同位素的特性說明比較

核融合技術是透過上億度的高溫加熱,讓氫同位素氘與氚的原子核變成電漿狀態,最後加壓與碰撞使相斥的原子核互相結合,反應產生氦核和中子,而放出巨大的能量。由於氘在海水中有豐富的來源,而氚可由鋰在反應爐裡製備,因此核融合反應所需要的原料是無虞的。

自然界太陽的光和熱就是來自於核融合反應(反應式如圖一),太陽的組成大約四分之三是氫(約百分之七十三);約四分之一是氦(約百分之二十五),其他的元素包括氧、碳、氖和鐵等佔比很少。太陽中心的溫度達一千五百萬攝氏度,核心壓力達二千五百億倍大氣壓,強大的引力加上高溫,才能進行核融合反應,太陽每秒以六點二億噸的氫進行核融合反應,並在此過程中將四百二十六萬噸物質轉化為能量,是太陽光和熱的來源。

圖一:太陽內部核融合反應式

核融合反應產生的熱量是如此巨大,僅需要一公克的氫發生核融合反應,並將其中質量的千分之七轉化為能量,依愛因斯坦質能轉換公式,可釋出一萬五千億卡的熱量,足以將一千五百公噸的水煮沸。

 e = mc2 = (7x10-6 kg)(3x108 m/sec)2 = 6 x 1011焦耳 = 1.5 x 1011卡 

           

四、核融合主要方式

根據勞森核融合反應判斷準則(lawson’s criterion),核融合反應條件主要取決於粒子密度、温度、和約束時間,也就是核融合反應需極高的密度及初始能量,時間維持越久,則粒子之間的碰撞機會越多,就越有利於發生核融合反應。

核融合反應的電漿温度高達幾千萬、甚至超過一億攝氏度以上,要將高速移動與高温的電漿粒子約束在反應容器裡,主要的有二種方式,分別為磁性約束、及慣性約束。磁性約束核融合是先加熱燃料,使它成為電漿形態,再利用磁場約束,並進行螺線運動,進一步加熱,直到產生核融合反應。慣性約束核融合的概念是在極短時間內,以多束高能雷射同時照射在一個燃料球上,瞬間形成高温並引發爆炸,其反作用力壓縮燃料,形成高温與高壓條件而產生核融合反應。磁性約束與慣性約束核融合說明比較(如表三):

約束核融合

方式

磁性約束核融合 (magnetic-confinement fusion)

慣性約束核融合 (inertial-confinement fusion)

原 理

磁性約束核融合是先加熱燃料,使它成為電漿形態,再利用磁場約束,使它進行螺線運動,進一步加熱,直到產生核融合反應

慣性約束核融合的概念是在極短時間內,以多束高能雷射同時照射在一個燃料球上,瞬間形成高温並引發爆炸,其反作用力壓縮燃料,形成高温與高壓條件而產生核融合反應

反應爐類型

托卡馬克、仿星器、反轉配置、其他

雷射、非雷射

代表性反應爐

國際熱核融合實驗反應爐(iter)地點在法國

勞倫斯利佛摩國家實驗室(llnl)

,國家點火設施(nif)地點在美國

反應條件

磁性約束是長時間將電漿約束,其所需要的反應温度與密度較温和

慣性約束反應是在極短時間(奈秒)內完成,故需要更高的密度與温度條件才能達到核融合反應

代表性反應爐實驗進度

預定二0二五年正式開始電漿實驗,二0三五年進行全氘-氚核融合實驗

在二0二二年十二月首次實現核融合反應輸出能量大於輸入能量(q值大於1)

說明

核融合能量增益因子q值: 是指核融合反應所產生能量與輸入能量的比值,當q 等於一即代表融合反應的輸出能量等於輸入能量。

表三:磁性約束與慣性約束核融合說明比較

五、核融合燃料發展趨勢

為得到永續的乾淨能源,燃料的來源與價格也是重要的考量,雖然氘與氚是最容易進行核融合反應的物質,但是氚有放射性會造成設備帶有放射性污染;而且氚在地球上極其稀有,需要在核反應爈裡用中子轟擊鋰製備;另外氘-氚反應會產生中子,並帶出百分之八十的反應熱,中子也會與爐壁反應,造成爐壁過熱與材料脆化問題。

要避開放射性與中子問題,氘與氦三是理想的燃料,雖然月球上有豐富的氦三貯藏量,在地球卻極其稀有,解決方式是以自然界存量豐富的氘去製造氦三,但是氘-氘反應也有一部分會產生氚與中子,所以問題並没有完全解決,只能算是減少中子與放射性的過渡性燃料。

氫與硼作為核融合燃料,不但無放射性、反應不會產生中子、存量無虞,同時價格也低廉,是發展核融合發電與提供未來廉價能源的最理想選擇,但是它的缺點是質子數過多,需要更極端嚴苛的條件才能達成核融合反應。各種核融合燃料說明比較(如表四):

核融合燃料

氘-氚

氘-氦三

氫-硼

放射性

氚具有放射性

部分氘與氘會反應成氚,具有少量放射性

無放射性

反應副作用

產生中子,夾帶出百分之八十的熱量,會造成反應壁過熱問題

雖氘與氦三不會產生中子,但氘與氘製備氦三時會產生中子,故具有少量中子。

無中子

自然界存量

氘存量豐富;但氚極稀有,需用鋰六於反應爐製備。

氘存量豐富;但氦三極稀有,需用氘於反應爐製備。

存量豐富

燃料價格

氚價格昂貴

氦三價格昂貴

價格便宜

能源轉換

轉成蒸汽,再以渦輪發電

直接取電

直接取電

反應難度

容易

較難

極難

反應式

2h  3h → 4he 1n

2h  3he → 4he  1h

1h  11b → 3 4he

核融合燃料趨勢

⑴放射性燃料朝向無放射性燃料

⑵反應會產生中子的燃料朝向反應不會產生中子燃料

⑶價格高存量稀少燃料朝向價格低廉存量豐富燃料

 

表四:各種核融合燃料說明比較

六、核融合發電商轉機會

根據國際原子能總署(iaea)統計,目前全球核融合裝置共有一百三十二座,美國就佔了四分之一。國際最大型的核融合實驗反應爐iter預計二0三五年才會進行全氘-氚核融合實驗,而要達到商轉發電,還有許多問題待科學家進一步設法解決。但是核融合技術日益精進,目前全球有三十家核融合技術廠商,已經吸引總額超過六十二億美元以上的資金投入,也相當程度上說明他們的技術已經越來越接近商業運轉的門檻了,以下針對具代表性的技術進展進一步說明:

國際熱核融合實驗反應爐(iter, international thermonuclear experimental reactor)是目前正在建設世界上最大的托克馬克核融合實驗反應爐,鄰近於法國南部的卡達拉,由七個成員(歐盟、印度、日本、中國、俄羅斯、韓國和美國)資助和運行。iter的使命是展示核融合發電的可行性,目標是核融合功率達到五百萬瓦,產生增益(q值)超過十倍的能量,並驗證氚增殖(tritium breeding)的可行性。iter採用氘與氚為核融合燃料,其反應式(如圖二)與反應爐設計規格(如表五):

圖二:氘與氚核融合反應產生氦並釋出一個中子

電漿

大半徑

(m)

電漿

小半徑

(m)

電漿

容量

(m3)

電漿

電流

(ma)

環形磁場強度

(t)

融合

功率

(mw)

電漿維持時間

(秒)

能量增益因子

(q值)

6.2

2.0

840

15

5.3

500

>400

>10

表五:iter反應爐設計規格表

勞倫斯利佛摩國家實驗室(llnl, lawrence livermore national laboratory)

是由加州大學管轄,主要研究雷射於慣性約束核融合的應用。國家點火設施(nif, national ignition facility)是llnl所建造的世界上最大、能量最高的雷射系統,具有一百九十二束雷射,可同時在奈秒時間內擊中半徑為二毫米的固態氘氚燃料球,瞬間引發爆炸,其反作用力壓縮燃料,形成高温與高壓條件而產生核融合反應。二0二二年十二月nif得到重大核融合突破,首度達到一點五倍的能量增益,這也說明雷射技術的突飛猛進,已經成為最受關注的核融合技術。

 

聯邦核融合系統(cfs, commonwealth fusion systems )成立於二0 一八年,技術源自美國麻省理工學院,致力於開發托卡馬克核融合反應爐,採用氘與氚為核融合燃料。建造中的較小型反應爐sparc預定於二0二五年完成,採用新型高溫超導磁鐵技術,目標是驗證其核融合能量增益達到二倍以上。另一個反應爐arc,目標是達到核融合商轉發電,預定於二0二八年完成,已經吸引eni、google、比爾蓋茲、貝佐斯參與投資,基金規模已超過二十一點五億美元。

聯邦核融合系統採用新型高溫超導體(稀土鋇銅氧化物rebco)來製造反應爐的磁鐵,與同類的銅導電磁鐵相比,有更高的能源效率,需要投入約束磁場的電力僅為其百萬分之一,因此可以得到更多的淨能量。

tae技術(tae technologies) 成立於一九九八年,其核融合技術是採用磁場反轉配置(frc,field-reversed configuration)反應器,結合磁性約束與慣性約束的優點,可讓電漿更有效率地進行核融合反應。燃料則採用價格低廉的氫與硼(反應式如圖三),反應不會產生放射性也不會產生中子,是未來核融合能源最被期待的清潔燃料。目前tae獲得已故微軟共同創辦人艾倫(paul allen)、google、clevron石油、美國石油大王洛克斐勒家族與高盛集團贊助,已經募得資金超過十二億美元。

圖三:氫-硼核融合反應產生三個氦粒子

tae的能源轉換技術是用感應電漿的帶電粒子直接取出電流,其能量轉換效率可達百分之九十五。以硼與氫為燃料,因硼核的電荷較多,需要更多的能量才能達到核融合條件,因此建造中的哥白尼反應器,目標是在二0三0年將電漿温度提高到十億攝氐度。

 

helion能源公司(helion energy, inc)也是使用磁場反轉配置(frc,field-reversed configuration)反應器,燃料則使用氘與氦三,可避開氚具有放射性與極稀有性的缺點,反應條件則比氫硼容易達到。helion也是利用感應電漿之帶電粒子直接取出電流,其能量轉換效率可達百分之九十五。二0二三年五月helion與微軟簽訂供電商業合約,是核融合發電的第一張商業訂單,將在二0二八年為微軟供應核融合電力。

  • 先用氘-氘融合反應產生氦三(如圖四),但有一部分會產生氚。

圖四:氘-氘核融合反應產生氦三和中子、與氚和氫

  • 再進行氦三與氦三融合反應產生氦四與氫(如圖五)。

圖五:氦三與氦三融合反應成氦四與二個氫

 

七、結語

雖然核融合發電距離商業運轉還有一段距離,而世界上最大的國際核融合實驗反應爐iter要到二0三五年才會開始進行氘-氚核融合實驗,但是隨著科技與材料不斷進步,透過連續幾代托卡馬克反應器的進展,要達到核融合反應指標的三重積(密度x溫度x約束時間)已較數十年前增加了一萬倍。去年十二月美國國家點火實驗設施(nif)首度達到一點五倍的能量增益,這是核融合技術發展的重大突破,就像是點燃了終極能源聖火,核融合不只是理論上可行,而是科技已經驗證,人類可以成功駕馭,可為未來提供完美能源。

為減少温室氣體排放與避免全球平均温度上升,二0二三年歐盟委員會發佈淨零工業法案,核融合發展技術也列入其中,旨在加速實現二0三0年的歐洲氣候和能源目標。其他國家也積極推展各項措施與發展再生能源,迫切地盼望核融合能夠商轉成功,能成為低碳排能源的一種可靠來源,其中包括加拿大、英國、日本都將核融合能源列為淨零排放的長期發展策略。

為加速核融合發展,各國政府不但在政策上增加資金引導開發,也強化彼此合作關係,依核融合工業協會二0二三年統計,多家核融合新創公司總共已獲得挹注資金六十二億美元,比二0二二年增加了十四億美元。許多新創公司不斷地推陳出新,像是cfs 應用高温超導體(稀土鋇銅氧化物rebco)來製造反應爐的磁鐵,不但可縮小反應器體積,更可提高能源轉換效率;另外像tae與helion採用磁場反轉配置技術,不僅結合磁性約束與慣性約束優點,更嘗試用無中子的氘-氦三或氫-硼為燃料,為未來安全與低廉清潔能源奠定基礎。而能源轉換模式採感應電漿帶電粒子直接取出電流,轉換效率可以達到百分之九十五,完全顛覆傳統發電廠須透過渦輪發電的能源轉換模式。這些新創公司例如commonwealth與helion積極挑戰在二0二八年將核融合發電推向商轉里程碑,人類期待的潔浄能源聖杯是否真的會降臨呢?且讓我們拭目以待!

(台塑企業 台化公司提供,2024/02/29)

 2024-02-29
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