在家自制核能反應(yīng)爐?
作者:中新網(wǎng)  2016-08-25 18:22:20
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未來(lái)可能的新能源:與星星同理的核融合。

    如果沒(méi)有核融合發(fā)生,迷你版反應(yīng)爐不過(guò)就是一顆昂貴且效能低的藍(lán)光燈泡……

  近來(lái)臺(tái)灣媒體及網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)一波熱烈討論,但這在美國(guó)早已不是新聞。星星發(fā)光的能量來(lái)自核能,而人類(lèi)的核電廠也是利用核能,兩者有何異同呢?真的能像《鋼鐵人》電影中的情節(jié)一樣,在家自制迷你核能反應(yīng)爐嗎?

  愛(ài)因斯坦我愛(ài)你

  恒星發(fā)光和核電廠運(yùn)作的能量都是來(lái)自核能,以愛(ài)因斯坦的E=mc^2為理論基礎(chǔ),也就是小小的質(zhì)量m乘上大大的光速平方,就能換取巨大的能量,只是我們找不到日常簡(jiǎn)單的方法把質(zhì)量直接換成能量。在已知的物理世界中,這得利用粒子的碰撞來(lái)達(dá)成,只要粒子的總質(zhì)量在碰撞后小于碰撞前,那么這些減少掉的質(zhì)量m就會(huì)透過(guò)E=mc^2變成光子形式的能量,也就是我們一般指的電磁波或輻射。

  這些過(guò)程牽涉到粒子“原子核”狀態(tài)(主要是質(zhì)量)的改變,因此稱(chēng)做“核能”。講得更精確一點(diǎn),原子的結(jié)構(gòu)可分為外層易剝離的電子和內(nèi)層的原子核,而原子核是由質(zhì)子和中子共同組成,質(zhì)子和中子個(gè)數(shù)的和大致就是原子量,因此當(dāng)粒子撞擊后有粒子的原子量增加時(shí)(例如兩個(gè)原子核合并為一個(gè)),我們稱(chēng)之為原子核“融合”,若減少(例如一個(gè)原子核分裂為兩個(gè)),則稱(chēng)之為“分裂”。無(wú)論是核融合或核分裂,通常在反應(yīng)后的總質(zhì)量都會(huì)減少,而少掉的質(zhì)量就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾有问降哪芰俊?/SPAN>

  星星和核電廠的區(qū)別

  星星主要是靠核融合來(lái)產(chǎn)生核能,核電廠則是利用核分裂。核融合所需的原料通常成本低(如俗稱(chēng)重氫的氘,可取自海水),產(chǎn)生的核廢料半衰期也較短(約僅數(shù)百年,核分裂的廢料半衰期則可長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)年),且輻射的危害范圍小(僅數(shù)公里)。

  那么為何我們不用核融合來(lái)發(fā)電,而要用核分裂?因?yàn)楫?dāng)你不會(huì)騎腳踏車(chē)時(shí)只能乖乖走路,也就是目前人類(lèi)的科技尚無(wú)法以經(jīng)濟(jì)且安全的方式讓核融合有效發(fā)生。技術(shù)瓶頸大多在于,為了使融合發(fā)生所輸入的能量仍會(huì)大于融合后所輸出的能量,因此不能達(dá)到生產(chǎn)能源的目的。

  由于上述核融合優(yōu)于核分裂的各種好處,目前科學(xué)家正如火如荼地發(fā)展以融合為基礎(chǔ)的新世代安全核能,最大的跨國(guó)計(jì)劃為位在法國(guó)的“國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)爐”(ITER),有歐美、亞洲等多國(guó)參與,所需經(jīng)費(fèi)至少五千多億臺(tái)幣,預(yù)計(jì)在約2020年時(shí)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn),其內(nèi)部溫度將高達(dá)一億度左右,粒子在這高能量的電漿中彼此撞擊時(shí),將有機(jī)會(huì)讓輸出能量大于輸入能量。

  其他還有許多成功融合的實(shí)驗(yàn),但瓶頸都是無(wú)法讓輸出能量大于輸入能量,主要是因?yàn)橐阎娜诤蠙C(jī)制都要求要有高溫的環(huán)境。1989年曾有兩位化學(xué)家聲稱(chēng)成功發(fā)展出“冷核融合”(cold fusion),也就是找到新機(jī)制能讓粒子在室溫下就發(fā)生核融合,這讓輸出大于輸入瞬間變得非常容易,也因此激蕩出上百篇學(xué)術(shù)論文,其中還包括《自然》期刊的論文。

  在家自制小星星?

  在現(xiàn)實(shí)中,迷你反應(yīng)爐其實(shí)已經(jīng)存在,它的概念來(lái)自于1960年代的fusor技術(shù),也就是簡(jiǎn)單地利用高電壓(至少約一萬(wàn)伏特,皮卡丘就辦得到)將帶電粒子于真空腔中加速到高能量(相當(dāng)于溫度一億度)而彼此撞擊,藉此觸發(fā)核融合。2011年美國(guó)高中生泰勒威爾森(TaylWilson)將這項(xiàng)設(shè)計(jì)大幅簡(jiǎn)化,并自制偵測(cè)器證明這個(gè)簡(jiǎn)化版的迷你儀器內(nèi)部真的有核融合發(fā)生,因此獲得Intel國(guó)際科展中的最高榮譽(yù)“青年科學(xué)家獎(jiǎng)”,也獲得奧巴馬總統(tǒng)的接見(jiàn),并于2012年應(yīng)邀上TED演講。

  此后,自制迷你核融合反應(yīng)爐就在美國(guó)的中學(xué)開(kāi)始風(fēng)行,有不少網(wǎng)站開(kāi)始介紹如何制作(例如《Make》雜志網(wǎng)站),Intel國(guó)際科展也陸續(xù)有類(lèi)似作品出現(xiàn),只是鮮少獲獎(jiǎng),因?yàn)檫@項(xiàng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易做門(mén)坎低,而原創(chuàng)作品在之前已授過(guò)獎(jiǎng)。

  這個(gè)迷你版反應(yīng)爐的問(wèn)題仍是輸入遠(yuǎn)大于輸出,而且對(duì)自制者而言,最難的就是確認(rèn)里面有沒(méi)有核融合反應(yīng)發(fā)生。無(wú)論有無(wú)核融合反應(yīng),儀器內(nèi)部都會(huì)因粒子在電漿中加速而發(fā)出漂亮的藍(lán)光,不少人誤以為那就是來(lái)自核反應(yīng)的能量,因?yàn)槟莻(gè)藍(lán)光和鋼鐵人胸前的反應(yīng)爐藍(lán)光實(shí)在太像了!如果沒(méi)有核融合發(fā)生,那就是一顆昂貴且效能低的藍(lán)光燈泡了,切記,即使有核融合,這個(gè)反應(yīng)爐所產(chǎn)生的核能也不會(huì)比發(fā)出的藍(lán)光強(qiáng)。(摘編自聯(lián)合新聞網(wǎng) 作者:吳俊輝 完整內(nèi)容請(qǐng)見(jiàn)《BBC知識(shí)國(guó)際中文版》第35(20147月號(hào))

  原作者:吳俊輝

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