眾創時代
核聚變比較核裂變,可產生更大量能源,太陽就是核聚變的自然反應堆,恆星核合成將較輕元素,轉化為較重元素,反應過程釋放出大量能量。儘管人類發明了氫彈,以核聚變原理製造武器,控核聚變卻耗盡不少科學家心血。
不少國家傾力研究可控核聚變,近年有初創企業亦加入研究,部分取得成績,有望加快可控核聚變商用化。
核聚變屬於再生能源,取之不竭,控核聚變所需反應原料(氘和氚原子)存量豐富。氘在海水中儲量極大,1公升海水裡提取出的氘,可釋放相當300公升汽油的能量;氚可通過中子與鋰反應生成,取之不盡。
核聚變不產生有害物質,比裂變更安全,不會發生類似福島或切爾諾貝爾的遺害。問題在核聚變一定條件下,包括高溫高壓,才能才發生原子核互相聚合作用,人類經過多年努力,可控核聚變離開商用還非常遙遠,國際合作也不順利。
核聚變可控之難,在於超高溫狀態下,物質變成等離子體,為固體、液體和氣體之外,物質的第四種形態;如何包裹,或者約束高溫高壓下等離子體,一直是極大技術挑戰。
全球核聚變主流技術,仍沿用60年代,前蘇聯科學家提出的Tokamak(托卡馬克)設計,以強磁場約束高溫的等離子體,統稱「Magnetic confinement fusion」(磁約束聚變)。美國則投資在「Inertial Confinement Fusion」(慣性限制聚變),以極凖確鐳射衝擊波同步引發核聚變反應,反沖作用力下,元素受壓縮到極高密度後,才產生熱核聚變,連續照射持續產生大量聚變能。
高溫超導成突破
上述兩種技術經60多年探索,可控核聚變的商用化,仍然遙不可及。近數年,高溫超導體(HST)取得突破,加快轉用完全無害的核聚變再生能源。
英國牛津郡Culham核聚變研究實驗室成立的「Tokamak Energy」初創,上星期宣佈籌獲6700萬英鎊(約8748萬美元),加速建立核聚變商用發電機。
Tokamak Energy預計在2030年前,製作可供發電用途的核聚變反應堆;今次集資由擁有Capri Sun果汁的瑞士富豪Hans-Peter Wild牽頭,可說英國創科史上最大膽投資。
Tokamak Energy一直主張研究高溫超導體,開發約束等離子體的Tokamak裝置,率先開發球形構型,加上自行研發高溫超導體(HTS)作磁約束;上述高溫超導體可在21K (負攝氏252.15度)形成高達24.4 T的磁場強度,幾乎是現時超導體上限。高溫超導體是約束核裂變的關鍵技術,Tokamak Energy研發高溫超導體,專利申請達17項。
2015年,Tokamak Energy研究概念型Tokamak裝置ST25,曾以高溫超導體磁約束高溫狀態等離子體,長達29小時而震驚國際。過去數年,高溫超導體的發展,進一步助延長高溫高壓下約束能力。
Tokamak Energy的ST40反應堆,已達到攝氏1500萬度等離子體,接近太陽中心的溫度,也是迄今私人企業核聚變實驗創下最高溫的紀錄,但核聚變仍要達1億度才能反應。ST40反應堆一改以往輪胎形狀的真空室腔,改而球形構型設計,令磁約束更有效,設計難度則更高;ST40只有幾米寬,有利於批量生產,甚至四處移動。
政府研究尾大不掉
人類經過數十年研究可控核聚變,以往不少計畫皆政府主導,耗費資金以百億美元計,已達到上億度的聚變反應。
2003年初,中國參加國際發展核聚變ITER計畫談判,2006年與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國簽訂ITER計畫協定;參與位於法國國際熱核實驗反應爐(ITER)Tokamak反應堆,以超導磁鐵產生高熱稠密電漿進行核融合。ITER計畫進展極其緩慢,預計2035投產,造價遠超預算,估計上升至500億美元,已尾大不掉;民間企業逐展開核聚變研究。
中國加快研究
中國官方核聚變研究基地為安徵合肥,2018年當地全超導Tokamak核聚變實驗裝置(EAST)產生熱量和能量,達到攝氏1億度,離子體約束時間也創下100多秒鐘紀錄;攝氏1億度已比太陽的核心温度1500萬度至2000萬度;高出了5至6倍,達到核聚變要求。
去年底,中國宣佈四川成都Tokamak聚變實驗裝置HL-2M建成,預計今年營運。HL-2M的離子體會高達攝氏2億度,由西南物理研究院承建。從1955年,中國科學家錢三強和李正武,就開始可控核聚變的基礎研究,加入ITER計畫後發展神速,但HL-2M據聞造價近10億美元,離商用化也很遙遠。
國際上核聚變另一重點研究,則為美國政府資助的「國家點火裝置」(NIF),位於美國加州利佛摩(Livermore),並不以Tokamak強磁場約束,改以慣性限制聚變(ICF)產生核聚變,發射出鐳射已達2兆焦,NIF利用192具雷射聚焦在小燃料球上,產生高溫攝氏5000萬度,加壓至1500億大氣壓產生核聚變。
NIF一波三折,1997年開始興建,2009年才建成,為全球最大鐳射裝置;2018年NIF才成功點火。建設NIF費掉35億美元,每天只能點火數次,特朗普政府上台後一直削減預算,研究躑躅不前。據《Scientific American》報導,美國國家科學院專家發展小組報告,NIF以鐳射觸發的聚變前景,不被看好。
去年,10月美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室,成功以等離子線性實驗(PLX)槍,提出了新一代聚變技術,集ICF和Tokamak兩種特性,變為第三種技術,稱之為「磁性慣性聚變」(Magneto-inertial fusion),據說成本更低。
麻省理工學院亦與其衍生企業Commonwealth Fusion Systems合作,也是採用高溫超導體技術,開發以小型核聚變裝置SPARC,設計上與Tokamak Energy相似,已集資1億1500萬美元,但SPARC功耗太高,輸入的能源,比輸出還要高,暫時缺乏實用價值。
核聚變為可持續能源最大寄望,世界各國家致力掌握核聚變;中國、美國、日本、韓國、巴西和歐盟投入金錢。不過,私營公司商用可控核聚變,也不屬空想;私營企業的小型核聚變裝置,成本低而迭代快,隨時可後發先至。
美國多家私營公司開發核聚變,包括了TAE Technologies、Lockheed Martin、加拿大General Fusion(去年底完成E輪融資6500萬美元)。
隨著暖化危機日深,須盡快取代石化燃料,類似Tokamak Energy研究取得突破,意義重大,成固欣然,敗亦可喜。