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2014-02-06T05:22:21Z

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==总论==
现代的核电厂使用的发电技术，称为「[[核分裂]]」，是利用中子撞击一颗重原子（通常为铀或钸）后，重原子会「分裂」成两颗轻的原子，并在过程中放出能量。[[核融合]]则是相反的过程，将两颗轻的原子核对撞后，形成一颗较重的原子，并在过程中放出能量。不论哪一种，能量的来源都是核反应的过程中减少的质量，透过爱老的著名公式 E=mc 转换。

核分裂技术最早在 1940 年代初试验成功，1954年苏联就有第一个核能发电厂在运转了。相较之下，核融合（亦称核聚变）技术大约在 1950年代初试验成功，但直到五十多年后的今天，仍然是个近在眼前，却构之不及的梦想。核融合技术到底是为什么这么吸引人？为什么经过这么久的研究还没有个结果？　　
===核融合的原理===
前面说过了，核融合是将两颗轻的原子核对撞后，产生出一颗较重的原子（和其它粒子），并在过程中放出能量。这种反应是星球发光[[发热]]的主要能量来源，也是氢弹威力比核分裂弹更大的主因。

原子由带负电的电子、带正电的质子和不带电的中子所组成，质子和中子在原子的中心组成原子核，电子则在外面绕圈圈。正常情况下，同样带正电的两颗质子应该会互相排斥，但在原子核的那种超小的距离尺度下，另一种称为「核力」的力量会强过电磁力，让质子和质子（透过中子）可以黏在一起。

要把两颗原子核撞在一起（电子与核融合反应无关）是非常困难的：两颗原子核同样各自带正电，因此实际上把两个原子核撞在一起时，也会有一股相斥的电磁力必须要克服，直到两颗原子核近到核力的影响大于电磁力时，两颗原子核就会「啵」的黏在一起，核融合就发生了。　　
===核融合的困难===
要如何克服原子核间相斥的电磁力，就是核融合至今还在实验阶段的主因。在太阳内部和氢弹这两个已知的范例中，都是靠加热反应的物质到极高的温度（太阳是因为内部的[[高压]]和持续的核融合反应，氢弹则是因为先引爆了一颗核分裂弹，使得核融合的环境能达成），使各别的原子核有足够的动能穿过电磁力的壁垒（称为库仑障壁），靠近到核力可以发挥作用的距离。

在反应炉中产生这种超级[[高热]]，以维持核融合反应的发生，是目前两种最可行的方法中，看起来比较有希望的核融合方法。利用甜甜圈型的电磁场，可以将带正电的原子核（电子因为高热已经被扯离原子核，形成电浆）封闭在反应炉环状部份的中心，并且发生反应。这种反应炉的技术挑战在于高温的维持 --理论上反应炉「点火」（提供初期的能量，直到核融合反应能发生）后，核融合反应的能量之大，应该要能在维持高温之余，还要有额外的能量供给出来。但目前为止的试验炉最高输出能量只能达到输入能量的 70%，自然无法维持核融合反应。刚开始兴建的 ITER实验反应炉预计 2018 年完工，综合了以往各反应炉的经验，预计将首度达成输出大于输入的目标，并且维特点火时间至少 400 秒。最终 ITER或许可以达成输出能量为输入能量的 5~10 倍，并点火 1000 秒，但即使如此，仍不足以商业运转 -- 要等到再下一代的 DEMO，达成输出为输入能量的 25 倍以上，才有可能做为经济的发电方式被人们利用。

另一种可行的方式，是利用[[激光]]来进行核融合，称为ICF。燃料会被做成针头大小的小弹丸，并由四面八方发射激光到这个目标上。当激光射到燃料丸的表面时，会瞬间引爆燃料丸的外壳，爆炸产生的震波如果能均匀而且同步的从弹丸的表面传到弹丸内部，就能压缩最核心的燃料到能引发核融合反应的程度。核融合反应一旦发生，连锁反应就能将燃料丸剩余的部份燃烧一空，产生大量的能量。一直以来，用这种方式进行核融合都很失败，因为引爆燃料丸需要多个激光束精确的同步点燃燃料丸，但最近在激光技术上的发展让美国对激光核融合的兴趣再度大增。即将完工的 NIF 就是第一个有会达成点火的激光式核融合反应炉，预计 2009 启用，2010 年就可以知道这种方式到底有没有前途了。下一代的系统是欧洲预计 2010 年开始兴建的 HiPER，因为使用低能量的激光，有可能为商用运转的 ICF 铺路。　　
===核融合的燃料===
任何轻原子核理论上都能撞在一块产生能量，但原子序愈高的元素（即质子愈多），原子核间的排斥力就愈大，引燃的条件也就愈苛刻，所以大部份的研究都放在最轻的几种元素上。最有前途的燃料组合有三种，分别称为 D-T、D-D 和 p-B 反应。

D-T -> He + n

D-T反应的燃料，是氢的[[同位素]]氘（一颗质子一颗中子）和氚（一颗质子两颗中子），反应之后会产生氦、一颗中子和能量。D-T反应是目前所有核融合反应中最有前途的一个，因为它的反应温度最低，比较容易达成。两种原料中，氘是一种稳定存在于自然的物质，海里就有一大堆，但氚因为是[[放射性同位素]]，半衰期只有 12.32 年，因此自然中含量极其稀少，必需要靠锂的核滋生反应来取得。这使得 D-T反应仍然会受到锂来源的限制，但估计燃料来源至少可以撑个 5000 年没问题。D-T 反应还有一些安全上的问题，等一下会再另外说明。

D-D -> T + p

->He + n

D-D反应是拿氘和氘反应，因此燃料来源可以说是无穷无尽的。D-D反应有两种不同的反应式，一共会产生氚、氦-3（少一个中子的氦同位素）、质子和中子，当中氚还可以再和氘进行 D-T 反应。可惜和 D-T反应相比，D-D 反应需要 D-T 反应 30 倍的能量密封性（因为反应所需的温度高很多），而且产生的能量也比 D-T 反应少 68 倍。

p-B -> 3 He

p-B 反应是拿质子去撞硼最常见的同位素硼-11，产生三个氦原子核。这种反应的特色是没有中子的产生，但反应所需的温度约是氢同位素反应的十倍，产生的能量却只有氢同位素的 1/2500，因此之前提过的两种核融合反应方式，都不再适用。

核融合的危险

常有人说核融合是安全、干净的能源，其实并不尽然。核融合反应炉确实不可能发生像核分裂反应炉那样的大规模融炉和[[辐射]]外泄事件，因为发生核融合的条件实在太苛刻了。以磁场限制型核融合反应炉来说，只有磁场稍有不稳定，反应炉内的燃料就会立即丧失反应能力，反应炉也会立即熄火。可以说目前开发核融合发电的所有困难点，正是未来核融合炉使用时的保障。

但另一方面，使用的原料是不是安全，又是另一个问题了。氚之前说过了，是一种[[放射性物质]]，如果外泄到了大气中，一样会有幅射污染的危险。但还好的是，氚的半衰期只有 12 年，和核分裂原料动轧数百万年的半衰期相比，对环境来说是安全很多。

此外，核融合产生的中子因为不带电荷，因此不能被留在电场中。这些高能的中子会撞击反应炉周边的材料，久而久之，有一定的机会将周围的的材料转变成辐射废弃物（这就是为什么 p-B 反应也在研究之列的原因）。　　
==无中子核融合==
D + He ->He + p

这就是先前提到的氘+氦3 -> 氦4 +质子的反应。质子带正电，所以会被限制在电磁场内，不会四处乱轰炸周围的材质，氘、氦3 和氦4也都是无幅射的物质，所以看起来很干净。可惜的是，因为氘-氦3 反应的温度比 D-D 反应高，所以做为氘-氦3反应原料的氘会有一部份自行先进行融合，放出中子。这个比例可以控制在几个百分点内，但却不能完全根除，所以其实氘+氦3 反应并不是完全干净的。

但终究它是比单纯的 D-D 反应或 D-T反应要干净多了，而且还有几个额外的好处：首先，它反应产生的质子可以用非热力的方式发电，能量转换效率可能达到 70%（以热推动蒸汽机最高约35%）。其次它产生的能量还不错，以 100% 的能量转换效率之下，6g 的氦3 和相对应量的氘反应，可以产生约 1000 MW-h的能量。最后，它需要的反应条件虽然高出其它几种无中子核融合甚多，但还在发展中的磁力型和激光型核融合反应炉的能力之内，或许不用像 p-B 反应那样还要发展新技术。因此许多人认为这是个不错的第二代技术，在真正的无中子核融合出现前垫一下档。

===氦3 从哪来？===
氦3 的来源有几个。地球上的自然氦3少得可怜，地壳中含有的氦本来就不多，而氦3则大约只占氦总量的五十万分，直接从土里开采根本不合算。天然气中也有氦，而且其中氦3占的比例比较高，但就算全美国的天然气储存加起来，或许里头只有 10~100kg，可能供应一座 1000 MW的发电厂运转一年都不够（24hr x 365 天 x 6g x 1.42 约等于 75公斤）。因此想要取得氦3只能用人造的，或是寻求地球以外的来源。

人造的方法，就是等待氚自然衰变，或是用中子轰炸锂、硼、氮等元素。然而，当初改用氦3，就是为了避免使用氚的危险，这下子又绕回来了，何苦呢？何况氚的来源也不是那么丰富。至于用高能中子轰炸元素，除了过程本身会耗去大量的能量外，又会产生一堆受到中子轰炸而产生的幅射废弃物，所以人造这条路似乎也不是很可行。

最后，只好前往外层空间挖啦。月球是首选（！），因为月球表面累积有数十亿来随着太阳风而来的氦3 ，含量高的地方每 100 吨里可能有 15g（15 ppb），存量少的地方则可能只有3g。但因为整个月表都有，所以可开采的总存量大约在 250 万吨之普，够地球人用很久，很久，很久。但是以目前的技术上月球开采并不实际 --太贵，也太大工程了。更进一步的可能性，是前往太阳系里的大号行星 -- 木星、土星等开采，不仅含量更高，开采也更容易。只是要将氦3从重力井中拉出来要大量的能量，也不一定符合经济效益。　　
===几种无中子核融合反应===
除了氘 - 氦3反应之外，还有许多种其它的无中子核融合反应，但大多都有各式各样的困难。如果能以氘 - 氦3反应为跳板，取得稳定的氦3 来源的话，那 He+He -> He + 2p 是很合理的下一步。这个反应有氘 - 氦3 反应的所有优点，而又没有氘 - 氦3 放出中子的缺点。另一种可能的反应是两个反应的连锁，分别是 p+Li ->He + He 和 He + Li -> 2He + p。总合下来两个反应会消耗 Li、产生 He，但科学家的计算是即使两个反应互相提供原料给对方，对减低反应所需温度的帮助还是有限，所以恐怕也是此路不通。

最后有两种质子和较重的原子核的反应 p+Li -> 2 He 和 p+B -> 3He。两相比较，前者的排斥力比较小，但后者的目标比较大，比较容易被质子命中，最后算下来还是后者比较容易（所以在第一篇是这写这个）。只是这个「比较容易」完全是相对而言的，和 D-T 反应比起来，p-B 反应需要的能量太高了，光温度估计就要摄氏 66 亿度，约是 D-T 反应的十倍。而且，以产生的能量来算，p-B 反应只有 D-T 的 1/3，所以要让反应能持续进行，势必要更好的能量保存机制，现有的磁力限制和激光压缩式核融合会让太多能量以废热和[[高能射线]]的形式散去，因此不足以进行 p-B 反应。要达到完全干净的核融合还真是困难啊！

[[分类:原子]]

核融合 - 版本历史

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