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核融合技術離商業化有多遠?

  • 工商時報 產業分析 智璞產業趨勢研究所
全球淨零碳排意識抬頭,核融合發電號稱潔淨能源的最佳方案之一。圖/美聯社
全球淨零碳排意識抬頭,核融合發電號稱潔淨能源的最佳方案之一。圖/美聯社

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在2024年4月底,位於法國南部Cadarache核能研究中心的WEST Tokamak反應爐傳出連續反應超過六分鐘,讓一直被視為終極潔淨能源的核融合技術重新被世人重視。在核融合發展的過程中,我們還有哪些挑戰需要克服,距離商業化實踐還離多遠?本篇文章將從原理、現行技術對比、以及未來核融合的趨勢,探討這項能源解決方案還需要多久才能走入我們的世界。

●質能方程式E=MC2,揭開核子時代序幕

1905年在愛因斯坦的「論運動物體的電動力學」論文中,質能方程式E=MC2首次被提出,揭示了質量與能量之間的關係,由於光速為平方高達9 × 10?? m/s,即使以微小的質量做質能互換,也能產生巨大的能量。因此,當1942年,芝加哥大學成功實現了世界上第一個可控核反應後,核子時代已然來到。

核能主要來源於兩種核反應:「核分裂」和「核融合」。這兩種反應的基本原理和能量釋放機制各有不同。核分裂是指一顆較重的原子核分裂成較輕的原子核時,釋放出大量能量的過程。由於核分裂的過程需要使用「重原子核」,無論是在反應前及反應後,都會自發性的產生核輻射,對於安全性、核廢料的處置、環境的傷害,一直都是核電廠被使用以來不斷受到討論的議題。

核融合技術以較輕的原子核,合成一顆較重的原子核,在過程中會損失部分質量以產生巨大的能量。由於輕元素並不會產生放射性,且反應後生成的新元素放射線極低,故不會產生連鎖反應,可避免輻射與安全性問題。此外,雖然同樣屬於核能應用,但核融合反應能量密度更高,約為核分裂反應的4.5倍。但要啟動核融合相較於核分裂更為嚴苛,以氘-氚核融合反應為例,在相同的溫度(1億度K)下,核融合發生的機率僅為核分裂的百分之一。此外,核融合過程為原子核互相靠近,原子核靠近需克服「庫倫力」,所需動能是核分裂的20萬倍。為了要維持核融合條需要消耗巨大能量,因此評估核融合技術是否可行,最重要的便是是否滿足能量輸出大於能量輸入。

●能量增益上的挑戰與當前核融合技術

所謂能量增益(Energy Gain),通常用Q值(Gain Factor, Q)表示,其定義為核融合反應輸出的總能量(E_out)與維持該反應所需的總能量(E_in)之間的比值。

在核融合反應商業化過程中,有三個關鍵的Q值階段:

1.Q = 1:反應達到平衡點,輸出能量等於輸入能量,但無法持續進行能量產生。

2.Q > 1:反應達到淨能量增益,輸出能量超過輸入能量,可以進行持續的能量產生。

3.Q ? 10:實現商業化運行所需的高能量增益,通常認為Q值需要達到10或更高,以確保實際運行中的能量效率和經濟效益。

除了能量增益外,為了啟動核融合反應,須將溫度提升至1億度K,在如此高的溫度之下,元素中的電子將脫離電場束縛成為自由電子(電漿狀態)。此外,為避免在電漿態熱輻射造成能量損失,須利用反應時生成的能量,此過程稱為燃燒電漿。達到「燃燒電漿」狀態是實現高效能量增益的關鍵。

●約束電漿以維持「燃燒電漿」狀態的兩種方式。

1.磁約束技術(MCF):顧名思義,以強大的磁場約束等離子體(電漿) 在一個有限的空間內,並保持其高溫狀態以達到核融合的發生條件。使用此原理的相關技術有:

1-1托卡馬克(Tokamak)

托卡馬克是目前最成熟磁約束技術,基本原理是利用環形磁場與環向電流來約束等離子體,使其在一個環形真空室內維持在穩定的高溫狀態。托卡馬克技術是目前最常見的核融合反應技術之一。

國際熱核實驗反應堆(ITER),是當前全球最大的國際合作核融合項目,由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、印度和韓國七個成員國共同參與。

1-2斯特拉托(Stellarator)

斯特拉托利用複雜的三維磁場來約束和穩定等離子體,防止其與反應堆壁接觸。與托卡馬克不同,斯特拉托不需要環向電流來維持磁場,有助於減少電流驅動的不穩定問題,以下是幾個斯特拉托技術主要的研究。

德國 Wendelstein 7-X:目前最大的斯特拉托裝置,由德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所(Max Planck Institute for Plasma Physics)主持。

美國的 HSX 項目:美國威斯康辛大學運營的一個斯特拉托裝置,主要研究螺旋對稱磁場結構對等離子體穩定性的影響。

2.慣性約束技術(ICF):通過瞬間加熱和壓縮核融合燃料(氘-氚)靶球,使其達到核融合反應所需的高溫與高壓力環境。ICF主要依賴如雷射或粒子束來達到反應條件。以下是慣性約束技術中主要使用的幾種技術和方法。

美國國家點火裝置(NIF):目前世界上最大的雷射慣性約束設備,擁有192束高能雷射槍,目標是實現核融合點火和自持燃燒電漿。

過去這幾年來全球淨零碳排意識抬頭,核融合發電號稱潔淨能源的最佳方案之一,也在這幾年陸續傳出「能量增益」接近商業化的新聞,目前此項技術仍然以美國為首,持續在進步當中,其中前三大為Commonwealth Fusion Systems、Helion Energy、TAE Technologies已分別從私人或政府機構中拿到超過35億美元以上的融資,依照目前技術進展,預期在未來數年內將有更多的突破和商業化應用出現,並在2030年之前看到核融合設備正式走上商業化的道路。核融合有望成為清潔能源的重要來源,為全球能源供應帶來革命性變革。

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