韩国人造太阳 核融技术打造干净能源可能吗?
网热| January 11, 2021人造太阳 化石能源 核聚变 核能 核裂变 
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2020年12月30日,韩国核融研究所(KFE)捎来好消息,他们表示正在研究的核融合装置KSTAR,成功维持摄氏1亿度的高温电浆,让装置内的等离子体能够连续运作了20秒,有望打造第一颗“人造太阳”,让人类离干净能源的梦想更近了一步。

KSTAR是位于韩国大田研究基地的核融合装置,也被称为韩国的“人造太阳”,透过人造技术在地球上模拟太阳内部的核聚变反应,无止尽地发热、产生能源。

模拟太阳运作产生能量    成功维温1亿度长达20秒

这项由韩国核融合研研究所和首尔大学,以及美国哥伦比亚大学合作研发,KSTAR这颗人造太阳在2018年曾经首次短暂地让高温电浆达到摄氏1亿度。到了2019年,曾经两度让电浆温度维持在摄氏1亿度,长达8秒之久。

目前KSTAR在改进了内部装置与使用新一代电浆体之后,成功让电浆温度加热到摄氏1亿度,是太阳中心温度的7倍之高,并且比起往年维持得更久,有20秒之久成功创下纪录。而KSTAR最终的目标是希望可以让摄氏1亿度的高温电浆能维持300秒,希望能在2025年便达成这个目标。

在了解核融合,了解为什么科学家要研究维持1亿度高温的方法与“人造太阳”的概念之前,我们先简述人类社会目前使用的能源,还有与其正面对的困境。

人类依赖非再生能源    绿色能源未能全面取代石油

目前人类使用最主要的能源,是非再生能源,如石油、煤炭、天然气等等,这些无法再生能源占了人类总能源消费量的80%左右。而再生能源包括太阳能、水力,或植物燃料等等,只占了10%左右。

2018年人类能源使用量。(资料来源:Statista.com)

随著时代进步,以及步步逼近的气候暖化问题,人类一直在寻找可以取代如石油与煤炭等等,非再生的化石能源方法。因为使用化石燃料,不只是造成严重的环境污染,由于它们是非再生能源,再多的煤炭、石油,总有一天会挖光,届时人类要依靠什么能源来取代目前这么大的需求量呢?

于是人类一直在竭力寻找可以保护环境,又能够取之不尽的理想无限、干净能源。虽然目前的太阳能风能看起来都是相当合适的绿色能源,但它们也未必是完美的可取代化石能源的方案。

太阳能的问题在于即便太阳的辐射很强,但在照射到地球巨大表面的时候,它的能量密度已经变得较低。再加上地球自转的因素,太阳出现的时间有限,所以太阳能的使用也只能间歇性的。此外太阳能很难小型化,基本上除了供自家用电之外,不能够放到运输物品上使用。

(图片取自Pixabay)

风能没有燃料的问题,由取之不尽地自然风作为燃料产生能量,没有辐射、碳排放等等问题。再加上建造费用相对水力、火力发现来得低,但实际上风能依靠许多风的不确定性,包括力度、风向,甚至只要没有吹风就无法发电。再加上风能会发出噪音,影响鸟类与蝙蝠的生态,包括影响鸟类的迁徙,旋转的扇叶也经常击中飞行的鸟类和蝙蝠。科学家们一直在研究各种减低扇叶与飞行动物发生意外撞击的事故。

(图片取自Pixabay)

这些自然能源都有各自的优缺点,并非完全不能使用,但它们无法完全取代目前石油与煤炭产生能源的方式。唯一接近能够成为人类追求的干净能源,似乎只剩下了核能的选择。

核能分为核裂变与核聚变两种方式,以下就带你简单了解它们之间的分别,如何运作,以及为什么科学家要研究出维持高温的方式,它们对环境会带来什么样的影响。

核融合,又被称作核聚变(Nuclear Fusion),虽然和核裂变(Nuclear Fission)听起来很相似,但两者的运作方式却相当不同,承担的放射性风险也大有不同。

核裂变

核裂变顾名思义就是原子核分裂的过程。透过铀原子核被中子撞击后,原子核会分裂出两个,或者更多的原子核。在这个分裂的过程中,原子核会发出巨大热能,同时也会释放出更多的中子。这些中子会继续撞击更多的原子核,以此类推。它们会不断地撞击与分裂,在核裂变的过程中,产生巨大的能量,可供发电使用。

(图片取自Pixabay)

由于核裂变的运作方式很简单,并且只要有铀的存在,其中的原子核和中子就会一直撞击分裂,形成链式的裂变反应。除了需要人为地减缓其中分裂的速度,与注意温度升高之外,基本上不需要太多的人为管理。

此外,核裂变所释放的能量也相当巨大,1千克的铀就能在核裂变中产生20000兆瓦小时的能量,等同至少燃烧2千吨煤所释放出的能量。如此简单且效率高的能源自上个世纪研发开来后,地球上大部分地区都有核电厂,透过核裂变发电。

(图片取自Pixabay)

然而如上所提及的,它需要人为介入,减缓它裂变的速度,以及控制其中反应堆的温度。核电厂的反应炉设计几乎都是为了预防裂变过快与炉内温度升高,这是因为一个不受控制核裂变反应,就等同于是一颗原子弹的基础。

虽然原子弹和受控制的核裂变反应只有基础原理相同,原子弹的设计是为了要释放所有能量,而受控制的核裂变反应是为了持续地释放能量。但历史上有许多严重的核灾,包括1986年发生在乌苏边界的切尔诺贝利核事故,还有2011年日本因爆发海啸而引发的福岛核灾事件,它们所带来的社会与健康影响,至今让人们对核能都心有余悸。

1986年爆发的切尔诺贝利核事故发生至今35年,切尔诺贝利内的残留的辐射指数依然很高,不适宜人住。(图片取自Pixabay)
2011年发生在日本福岛的核灾难。因地震引发海啸,造成日本核电站反应堆融化的泄漏事故。这也是继切尔诺贝利之后,发生最严重的核灾难事件,超过47万人被撤离家园疏散。(图片取自网络)

实际上从70年代开始,世界各地就有许多反核能的组织。他们反对核能的使用,除了担心核灾之外,核裂变同时也会产生许多放射性废料,需要相当长的时间来分解。此外,由于核裂变本身的破坏力十足,他们也担心这些核燃料落入不法之徒、恐怖分子手中,制造武器危害全世界。

而另外,即便没有以上的因素,核裂变也不是人类追求的无限且干净的能源,除了核废料问题,核裂变所需要的基本燃料是铀。但铀本身并不是取之不尽的天然资源,根据目前人类的需求量来开采,地底下的铀终有一天也会用完。

核聚变

而核聚变跟核裂变的链式反应不一样,核聚变只需要反应一次。核聚变是指将两个较轻的原子结合在一起,在一定的条件下,包括高温与高压,让两个原子核能够互相吸引碰撞在一起,从而释放出巨大的能量。原理就跟我们抬头就能看见的太阳一样,成功反应后就能源源不绝地产生能量。

(图片取自网络)

不只是反应方式完全相反,聚变所需要的基本燃料主要成分就是氢,在水里面就可以获得。相比起铀,水正正就是取之不尽的自然能源,而且核聚变所生产的废料,分解周期并没有裂变来得久。所以普遍上认为实现核聚变就是实现无限而且干净的能源。

但实现核聚变的条件却非常严苛,就是模拟太阳的环境,让两个原子核在高压高温的情况下,才能结合在一起,所需要的高温就是1亿度。而且不只是造出1亿度,而是保持在1亿度。这也就是要在实现这个无限能源之前,人类必须要制造出更多能源来维持它,似乎有点得不偿失的感觉。于是世界各地的科学家都在研究各种维持温度的装置以实现核聚变的条件。

中国在去年的12月中,也曾经在他们的人造太阳上首次放电,并且能达到1.5亿度的高温。自2007年起,美国、欧洲、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯等等就答应共同出资,打造世界上最大的国际核融合实验反应炉(ITER)计划,希望能够有助于打造这颗“人造太阳”实现无限能源。

追求进步能源也该反思能源用量

目前要实现核聚变技术仍然还要面临许多挑战,以我们既有的社会模式,我们暂时还是会继续依赖化石能源。它虽然污染环境,又非再生能源,但却也是最符合目前人类社会所需要的效率。

这不得不就引发另一个想法,就是在寻求干净能源之外,我们是否也可以反思我们既有的社会模式呢?

纵观各种能源都有其优劣,核聚变目前因为还未打造出来使用,所以对于其劣处还有许多不明。如果最终它也不是人类追求的干净、无限能源的话,届时人类要怎么办?是否要继续寻找新的能源来取代?

可是其实除了能源本身的优劣势之外,最重要的是人类的使用量和使用方式。单靠寻找完美的能源,而不改善现有的社会模式,是于事无补的。

当人类寻求进步,在科技上更上一层楼的时候,我们的精神世界是否也应该跟上脚步,反思能源的使用量。我们是否真的需要使用到如此多的能源,继而一而再地开发、使用,最终拥有再多,也只能走向更贫瘠的结局呢?

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