熱核聚變反應爐是人類能源的希望？

【大紀元記者夏逍編譯報導】在世界最大的核聚變反應爐即將在法國普羅旺斯山坡破土動工之時，《最後的世代：大自然對氣候變遷的反撲》一書的作者福萊德‧皮爾斯(Fred Pearce)於《期望雜誌》(Prospect Magazine)發表文章，對熱核聚變計劃的方方面面進行了論述。這項在經濟效益及眾多難技術題方面不斷遭受外界質疑的工程，是否值得人類花費巨大的財力呢？

一群自稱「熱核聚變吉普賽人」的科學家夢想著有一天在世界上重製星球內部的核聚變反應，使宇宙中元素粒子融合而產生巨大能量，為全世界提供大量便宜、乾淨的電力。他們認為，熱核聚變發電廠所需的一小卡車燃料可為一個100萬人口的城市供應一年的電力，而且留下的放射性廢物少，100年之內即可消失。核聚變是太陽能的來源，有一天也應該能夠為世界提供電力。

聚變研究始於1950年代，但一直進展緩慢且資金分散，至今仍無一瓦電力產生。然而今年初，在10年的漫長消沉後，世界上很多政府決定投資100億資金，向夢想推進了一大步。

歐盟、美國、中國、印度、日本、俄羅斯以及南韓於今年5月發起了一項建造國際熱核聚變實驗堆（International Thermonuclear Experimental Reactor; ITER）的條約。歐盟科學研究委員亞內茲． 波托奇尼克（Janez Potocnik）稱「這是世界上最大的一個科學與共同研究公約。」該實驗堆將建於普羅旺斯省得卡達拉捨（Cadarache）的一座森林中，是世界上最大的核聚變機器。實驗堆的建造需要10年，之後的20年間，將有成千上萬的實驗在那裡進行，再以後，人們將會知道熱核聚變是否有前途。

今年夏天，熱核聚變科學家們在南法普羅旺斯的山腰上再度會合，來自英國、澳洲、俄羅斯、美國、德國、中國、日本、捷克及許多其他國家的科學家將合力向世界證明他們始終都是對的。研究先驅約翰‧郝（John How）表示：「對於核聚變電力而言，這是一個不能錯失的良機」。

時機似乎到了。油價的飆漲、對於全球溫暖化問題的關注以及傳統與新型核能潛力間的政治平衡，使得對兼顧核能龐大能量又有風車的乾淨、安全等兩個特性的新型電力來源的需求與日遽增。核聚變發電最終可能會成為答案。

不過，即使最熱愛核聚變技術的支持者也承認這種技術能夠商業化，還需要數十年的時間。綠黨（Greens）人士則駁斥此項計劃是一個「危險的玩具」，浪費金錢。物理學家中也有反對的聲浪。令人尷尬的是，就在比京的典禮開始不久前，3月10日出版的《科學》雜誌發表了核聚變先驅威廉‧帕金斯（William Parkins）的一篇遺著，指出「這一夢想昂貴且令人失望」，美國已經耗費50年花了2百億，卻毫無進展，現在是結束的時候了。

那麼熱核聚變到底如何運作呢？目前英國卡拉姆 （Culham） 反應爐是世界上最大、最成功的反應爐，又稱為歐洲聯合環形加速器（ JET, Joint European Torus ）。JET高20英尺、設備佔地一英畝，至今造價10億歐元。在它23年多的壽命中，營運花費10億歐元。有時候，JET甚至花費英國政府能源研究總預算的一半。

研究人員一直在探索如何使融合聚變發生並有效控制過程。理論上，反應爐使氫的2個同位素——氘和氚在超高溫下形成電漿（plasma)，然後融合在一起。當這種情況發生時，便會產生另一種元素——氦（helium）並釋放巨大的能量。但實際上並非那麼簡單。要調整到合適的溫度是一項艱鉅、漫長且讓人絞盡腦汁的工作。儘管實驗了50年這麼久的時間，研究者仍無法產生更大所需的能量來推高反應爐的溫度。1997年實驗有了重大突破，在不到1秒鐘的時間裡，反應器產生了16兆瓦的電力，至今這仍是世界紀錄。有人提到它消耗了25兆瓦去加熱反應爐，維持時間也不到1秒鐘。

— 個問題在於，雖然氘和氚是最容易發生聚變的原子，但仍需要在攝氏1億度的高溫下才會發生。這比太陽的熱度高10倍，且還需要有巨大的重力場使核聚變順利發生。另一道難題是，要維持如此高溫、核聚變反應爐的安全，就必須防止熱電漿撞擊到反應爐牆。研究者將反應器做成形如甜甜圈（doughnut）狀的環形容器，如此熱電漿就可以無休止的轉圈圈；同時加入世界上最強的磁石維持比地球大1萬倍的磁場來約束電漿粒子的運動。但電漿原子就像太陽上的耀斑（solar flares）相當不穩定且隨時發生，造成計算機完全無法預測。因此大量的實驗集中在「如何控制熱電流」。

此外，問題並非只電漿的不穩定性，反應爐的材料也是急待解決的問題。究竟什麼材料能夠經得起反應爐內巨大的衝擊力量？一些科學家相信這裡面的溫度梯度比起宇宙中的任何地方都大，來自數百兆瓦能量的衝擊波（shock waves）以光速1/5的速度行進，同時磁場比地球強一萬倍。目前，另一項協議資助10億美元在日本建造研究中心，希望能開發出這種材料。

這是一項長期的計劃。ITER首次被提出作為JET的延續計劃，可以回溯至1980年代中期。當時蘇俄的戈爾巴喬夫和美國裡根總統在聯合計畫中同意發展熱核聚變能源。但經歷了1990年代石油價格狂跌，俄羅斯因為經濟困境及車諾比電廠事件退出。美國也在1998年因為對熱核聚變反應器內無法控制電漿原子的運行瓶頸而退出ITER計畫。2003年，美國又重新加入。但威廉‧帕金斯並非唯一宣稱科學家沒有能力解決一連串技術性的難題的人：如何有效的移除反應器內部的高溫？什麼樣的物質可以防止反應器不會易碎且無漏洞？他也不是唯一提出這些問題沒有答案的人，他表示：物理學上或許很好，但工程技術上可能永遠無法達成。

ITER內一位高階研究員向記者透露：「我認為這是可行的。我們也必須去做，否則政客們不會給我們金錢援助。」有人認為全世界或許有 20%的機會在2100年從熱核聚變反應爐中得到20%的電力來源。也有人認為儘管是這麼不均等的賭注，下注的成本這麼高，這場賭注還是值得下注。美國能源部長雷蒙德‧奧巴赫（Raymond L. Orbach）則認為：「在本世紀結束時，我們認為熱核聚變技術將會供應世界40%的能源。」而換算過來，在2100年時，它將會供應全球總電力的 15%。 但這段路上還有許多重大問題。在未來的30到40年間，如果ITER無法證明核聚變反應器可以產生比其消耗的能量更大的能量的話，那這走了將近1個世紀的計畫終將被放棄掉。那麼花了這數十兆資金的帳將會算在這些野心過度的物理學家頭上。(資料來源：Prospect Magazine, July 2006)

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