日期:2022/10/10   IAE 

核聚變是兩個輕原子核結合在一起形成一個更重的原子核。 這個過程自然發生在包括太陽在內的恆星內部，並釋放大量能量。

數十年的實驗和研究一直在研究如何利用地球上的聚變能用於發電等目的，以期提供清潔、安全和可再生的能源。

要了解更多關於核聚變未來的可能性，我們首先需要探索聚變反應本身……

它是如何工作的？
聚變反應發生在稱為等離子體的熱氣體中。等離子體由自由移動的電子和正離子組成，具有不同於其他氣體、液體或固體的獨特特性。

恆星，包括我們的太陽，是由氫和氦組成的等離子體球，由冷氣體雲的引力坍縮產生，這些氣體被壓縮和加熱，變成等離子體。這一切都創造了完美的條件，包括氫聚變所需的大約一千萬攝氏度的高溫。

這些高溫為輕核提供了足夠的能量來克服其自然的電排斥，因此，一旦它們彼此非常接近，吸引它們的核力就會超過電排斥（稱為庫侖力），從而使它們能夠保險絲。除了熱量和近距離之外，聚變還需要將原子核限制在一個小區域內。恆星引力產生的極端壓力創造了融合發生的最終要求。

當質子和中子通過這種核吸引力從較輕的原子核中結合時，核反應會釋放出額外的能量。對於具有較短核力的較重原子核而言，情況並非如此，它不需要通過聚變釋放能量，而是需要能量作為輸入。

恆星通過融合氫核並釋放氦來產生能量。太陽的核心每秒融合 6.2 億公噸氫氣，因此每秒產生 6.16 億公噸氦氣。對於融合形成氦的每兩個氫原子核，0.645% 的質量作為 α 粒子動能和其他形式的能量（例如電磁輻射）被帶走。

研究已經調查了利用這種自然反應並使用為我們自己的需要而創造的能量。人類已經使用了逆過程，即核裂變，其中鈾和钚等較重的元素被分裂，以產生能量。核物質之間的結合能衡量核子結合在一起的效率以及裂變和聚變釋放的能量。

在適當的熱量、接近和高水平的壓力下，質子和中子可以強制在一起，根據元素的構成釋放不同水平的能量。 例如，氫由一個質子組成，而氫的重同位素——氘 (D) 和氚 (T)——釋放更多的能量，因為它們包含更多的部分（氘有一個質子和一個中子，而氚有一個質子 和兩個中子）。 到目前為止，我們已經研究了恆星中發生的聚變，但科學家和工程師一直在努力在地球上重建聚變的條件。

恆星的巨大引力有助於引發聚變，但如果沒有這種力，就需要更高的溫度來引發聚變。 例如，在地球上，需要超過 1 億攝氏度的溫度才能引起氘和氚之間的聚變。

聚變研究的歷史
聚變過程已被研究為理解核物質、了解恆星物體的核物理以及製造熱核武器的一種手段。 然而，自 1940 年代以來，人們一直在開髮用於發電的聚變反應堆。

1920 年，亞瑟·愛丁頓首次提出氫/氦聚變可能是恆星能量的主要來源，1927 年弗里德里希·洪德發現了量子隧道。 在此之後，羅伯特·阿特金森和弗里茨·豪特曼斯使用測量的輕元素質量來證明通過融合小原子核會釋放大量能量。

帕特里克·布萊克特早期的人工核嬗變實驗導致馬克·奧利芬特在 1932 年首次在實驗室進行氫同位素聚變。在 1930 年代剩下的時間裡，漢斯·貝特 (Hans Bethe) 提出了恆星核聚變主循環的理論。

隨著第二次世界大戰的到來，軍事目的優先成為 1940 年代初期的曼哈頓計劃和核武器發展的研究成果也就不足為奇了。這導致了 1952 年 11 月 1 日的常春藤邁克氫熱核彈試驗，在那裡發生了自我維持的核聚變。

隨著英國、美國和蘇聯的研究計劃在 1940 年代後期和 1950 年代期間對聚變有了更好的了解，研究人員開始考慮如何將該過程用於實際的能源生產。

聚變反應堆的第一個研究計劃主要集中在使用磁場和電磁力來控制產生核聚變反應所需的熱等離子體。然而，膨脹的熱氣體很難控制，因為它們很容易從包圍它們的磁性結構中逸出。

儘管冷戰仍在繼續，但在 1958 年的第二次日內瓦和平利用原子能會議上，美國、英國和蘇聯的大部分聚變研究被解密，開啟了持續至今的國際合作。

1960 年代初期，慣性約束聚變 (ICF) 的工作開始了，這提供了另一種使用激光產生聚變的潛在方法。 當時分類的提案試圖使用大脈衝激光能量來內爆和衝擊熱物質，使其溫度足以引起核聚變。 此後，這項工作取得進展並被解密（從 1970 年代開始），至今仍在進行設計和開發工作，以製造短脈衝、高功率激光器和能夠產生聚變的毫米級目標。

磁約束似乎仍然是聚變反應堆的主導，隔熱和等離子體溫度的必要條件已經基本實現。 雖然我們還沒有完全準備好使用核聚變反應堆，但專家們相信我們已經接近了。

優點
科學家和工程師一直在研究如何在地球上以工業規模複製和利用核聚變。

聚變燃料的好處包括提供完全可再生、清潔、安全和負擔得起的能源。聚變產生的能量大約是每公斤裂變的四倍，是燃燒煤炭或石油產生的能量的近四百萬倍。

許多正在開發的聚變反應堆概念將使用氘和氚；氫原子含有額外的中子，只需幾克就能產生太焦耳的能量，足以為發達國家的一個人提供六十年的能量。

融合的另一個優點是可以輕鬆收集原材料。氘可以從海水中提取，氚可以通過中子與鋰的反應產生。這兩種供應將持續數百萬年。

聚變不僅有可能提供幾乎無限的清潔能源，而且還是一種安全的能源，與裂變不同，它不會產生長壽命的核廢料。由於啟動和維持聚變反應的困難，不存在反應失控並造成熔毀的危險。如果發生事故，等離子將在反應堆受到任何持續損壞之前終止並很快失去能量。

最後，聚變不會向大氣排放任何二氧化碳或其他有害溫室氣體，也提供了低碳能源。

例子
有兩種主要方法正在研究用於容納地球上聚變反應所需的高溫等離子體。這些是磁約束和慣性約束。除了這些主要方法之外，還研究了通過使用μ子以及冷聚變和氣泡聚變來催化聚變。

我們將依次檢查這些過程中的每一個：

1. 磁約束：
這種方法使用磁場將等離子體保持在適當的位置。等離子體通常被保存在一個稱為環面的環形腔室中，內部邊緣周圍放置有強大的磁鐵。磁場將熱等離子體保持在腔室的中間並遠離邊緣。等離子體還可以在流動時產生自己的磁場，這也可以用來進一步包含等離子體本身。這種方法在稱為託卡馬克的機器中取得了成功，它可以產生所需的熱量、粒子密度和能量限制，以產生聚變反應。

2.慣性約束聚變（ICF）：
ICF 使用壓縮而不是高溫來開始聚變反應。短時間壓縮燃料（以納秒為單位）會增加內爆速度並產生衝擊波，加熱冷卻等離子體的中心。這種衝擊熱引發了釋放能量的聚變反應。這種方法使用與熱核武器相同的坍塌、壓縮加熱和隨後的核聚變過程。恆星也使用一組類似的過程，除了這些過程是由重力引起的，導致開始坍塌、加熱和膨脹，以達到大小和溫度之間的平衡。儘管也使用了粒子加速器，但在地球上用於產生這種類型聚變的最常見技術是高功率激光。在法國波爾多的 Laser MegaJoule 和位於美國加利福尼亞州利弗莫爾的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火設施等設施中，一直在對這一過程進行研究，該過程使用非常短的脈衝激光引發聚變。

3. μ子催化聚變：
這個過程能夠在低得多的溫度下產生聚變，並涉及用 μ 子代替通常圍繞燃料原子核的電子。 μ子是帶負電的亞原子粒子，與電子相似，但穩定性要差得多。這些μ子可以被創造出來，然後立即註入氘和氚的混合物中，在那裡它可以與氘核或氚核結合，形成 D+-μ 或 T+-μ 的原子。這個原子現在處於激發態，允許μ子在氘核和氚核之間轉移，反之亦然。 μ子也可以同時與氘核和氚核結合，形成μ子分子（D+-μ-T+）。這些介子分子在氘核和氚核粒子之間產生融合，釋放能量並允許介子繼續移動並與​​更多的氘核和氚核結合。然而，這個過程很複雜，需要在μ子衰變之前發生一系列原子、分子和核過程。產生 μ 子本身也需要能量（每個 μ 子大約 50 億伏），因此創造足夠的能量來抵消產生聚變所消耗的能量是一項挑戰，需要在每個 μ 子的半衰期內至少進行 300 次 D-T 聚變反應。

4.冷聚變：
冷聚變於 1989 年首次宣布，當時兩名化學家聲稱他們使用含有重水（氧化氘，D2O）的電解池和從重水中吸收氘的鈀棒在室溫下產生了聚變反應。然而，沒有任何理論解釋來支持這一說法，全球隨後重現冷聚變的努力失敗了。

5.氣泡融合：
2002 年，科學家聲稱他們在涉及用氘（氘化）轟擊的冷凍丙酮的聲空化實驗中產生了聚變反應。這使用了一種稱為聲致發光的技術，其中氣泡被高壓聲波內爆。隨著這些氣泡的內爆，創造了高密度和溫度的條件，從而導致發光。科學家們說，他們使用了更大、毫米大小的氣泡，這些氣泡已經在丙酮液體中氘化，以產生密度和溫度，並能夠在氣泡破裂之前引發聚變反應。然而，與冷聚變一樣，隨後復制結果的嘗試都失敗了。

未來融合技術發展
在過去的幾十年裡，核聚變研究已在 50 多個國家進行，並取得了不同程度的成功。

聚變技術發展的未來和加速將核聚變作為一種可行能源的推廣依賴於全球合作。 新興技術需要與支持基礎設施和標準的開發一起進行開發、驗證和認證。

目前，全功率試驗將於 2036 年在法國的 ITER 項目開始，日期為 2050 年，以實現運行發電的聚變發電廠。

除了政府主導的研究之外，還有越來越多的私人資助的商業企業正在利用和擴展數十年來的公共資助研究以進行聚變。 這些私人資助的組織暗示在 2050 年之前建造第一座可運行的聚變核電站。

結論
隨著世界人口的增長，對能源的需求將不斷增長。這一需求很可能通過多種不同能源的組合來滿足，包括流體動能、風能、太陽能和新一代核裂變裝置。

儘管還需要幾年的時間，但鑑於大規模生產清潔和可再生能源的潛力，核聚變可能被證明是未來能源結構的重要補充。

為達到這一點，仍有工作要做，以確保大型核聚變工廠有效、經過充分測試並安全投入運行。核聚變已經在實驗性聚變反應堆中實現，因此它成為全球清潔能源解決方案的一部分肯定只是時間問題。

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常見問題
核聚變能永遠持續下去嗎？
由於宇宙中大量的氫，核裂變有可能成為幾乎無限的能源。至於放射性廢物，有一些是由該過程產生的，但它的壽命約為 100 年，而裂變廢物則有數千年的壽命。

至於過程本身，聚變是很難實現的，因此也很難保持這樣，如果出現問題，核聚變不會持續很長時間，它會比裂變更快地燃燒自己。

核聚變可能嗎？
核聚變是可能的，並且已經在測試期間成功地提供了能量產量。雖然地球上最新的核聚變產生的能量還比較少，但經過幾十年的研究，這是一個很好的突破。

核聚變需要的三個條件是什麼？
核聚變所需的三個條件是熱量、接近度和壓力。高溫（至少 1 億攝氏度）使離子能夠克服庫侖勢壘並融合在一起，離子彼此接近使它們融合，並且壓力使離子保持靠近並防止等離子體冷卻。

核聚變的基本概念是什麼？
核聚變的基本概念是兩個輕原子核結合在一起形成一個較重的原子核。這會產生大量能量，同時有時也會釋放其他物質——例如氫聚變釋放氦。

核聚變反應堆安全嗎？
核聚變反應堆背後的技術和基礎物理學使其安全。雖然裂變工廠可能會發生熔毀或失控反應，但聚變是不可能的，特別是因為該過程只需要少量燃料（在任何給定時間少於 4 克）。

核聚變是可再生的嗎？
核聚變具有提供可再生能源的潛力。主要挑戰是創建聚變過程所需的電力，但如果這是來自可再生能源，那麼聚變能源有可能提供幾乎無限的可再生能源。

核聚變可以控制嗎？
研究表明，聚變是可以控制的，但鑑於實現核聚變的難度，問題不在於控制，而在於維持聚變。

核聚變可以用來發電嗎？
是的，核聚變可以用來發電。然而，我們還沒有達到技術進步到足以產生足夠數量的電力成為可行資源的地步。圍繞創造比使用更多的能源和大規模製造核聚變所面臨的挑戰正在世界各地進行調查。

核聚變會有危險嗎？
核聚變本質上是安全的，不會排放有害的溫室氣體，也不會產生長壽命、高活性的核廢料。也沒有反應堆熔化或失控反應的可能性，這意味著聚變比核裂變更安全。

核聚變能代替化石燃料嗎？
一旦作為能源資源得到充分開發，核聚變就有取代化石燃料的潛力。然而，與風能和太陽能等其他方法一起，核聚變更有可能只是清潔能源組合的一部分。

核聚變反應堆存在嗎？
目前，只有試點和實驗性聚變反應堆退出，但預計到 2050 年，第一個運行的商業核聚變反應堆將投入使用。

曾經實現過核聚變嗎？
核聚變最初是在 1930 年代在實驗室實驗中實現的，此後在試點核聚變工廠中得到了證明，但我們仍然沒有設法利用產生的能量來產生大量電力。

核聚變在哪裡使用？
核聚變自然存在於包括太陽在內的恆星中，其中氫核融合併產生氦，同時釋放出照亮和加熱地球的能量。核聚變也被用於核武器，但利用聚變發電發電的研究仍在進行中。

核聚變能解決能源危機嗎？
核聚變有可能在沒有溫室氣體和最少核廢料的情況下產生能源，創造一種在不增加全球變暖的情況下提供大量能源的資源。此外，用於聚變的燃料相對容易獲得，而且幾乎取之不盡用之不竭。

然而，聚變作為一種可行的能源還需要幾年的時間……

核聚變何時可用？
大多數估計說，第一座核聚變發電廠將在 2050 年投入運營。然而，其他人認為核聚變將更快投入使用，一些（主要是私人資助的）運營商表示，反應堆可能會在 2030 年代初期出售。