Contents ...
udn網路城邦
鋼鐵人
2010/11/02 13:19
瀏覽4,181
迴響0
推薦0
引用0

前言

當我看到電影『鋼鐵人』之後,就對男主角胸口那塊可以提供巨大能量的發光體感到興趣。那個發光體在電影裡稱之為『微型電弧反應爐』(方舟反應爐)使用的鈀金屬板作為電力來源。這讓我想起去年的一則新聞『理化老師自製桌上型核反應爐』,當時就覺得如果這項技術可以民用的話,那豈不是功德一件?但是只可惜我不是學核能的,所以只能是心有餘但力不足啊!?現在隨著『鋼鐵人』的上映,我的敏感神經又被挑逗,雖然我沒有能力研發核能相關科目,但是找資料瞭解一下目前核能的發展狀況還是可以的。

熱核融合

1939年,美國物理學家貝特證實,一個原子核和一個原子核碰撞,結合成一個氦原子核,並釋放出一個中子和 17.6 兆電子伏特的能量。這個發現揭示了太陽『燃燒』的奧秘。 由於存在巨大的引力場,在太陽核心 1500 萬攝氏度、表面 6000 攝氏度的條件下均可輕松進行聚變反應。如果不考慮控制能量輸出,在地面制造核聚變也不是棘手的難題,氫彈就是就是一個例子。因此,為了實現『受控熱核聚變』,首先要把反應燃料加熱到 10 萬攝氏度,此時氣體原子中帶負電的電子和帶正電的原子核已完全脫開,各自獨立運動。這種完全由自由的帶電粒子構成的高溫氣體被稱為『等離子體』。即電子獲得一定的能量擺脫原子核的束縛,原子核能夠完全裸露出來,為碰撞做準備。然後他們要把這些等離子體繼續加熱到上億度,使原子核擁有足夠的動能克服庫侖斥力,聚合在一起。

這些上億度的等離子體,還必須在足夠長的時間?『老實地呆在容器?』,使聚變反應穩定持續地進行,『不能以每秒超過 1000 公里的速度亂跑,也不能碰到容器的內壁』。 一個難題是,用什麼來裝 1 億度高溫的等離子體? 前蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫提出磁約束的概念,後來延伸出『先進超導托卡馬克實驗裝置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST),原名 HT-7U,又被稱為人造太陽)』又稱『環流器』,是一個由環形封閉磁場組成的『磁籠』。等離子體就被約束在這『磁籠』中,很像一個中空的麵包圈。而在磁場中,帶正電的原子核會沿著磁力線做螺旋式運動。此外,高功率的鐳射束也被用來充當約束離子流工具。

國際熱核聚變實驗堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)在 1996 年成立最初只有美、俄、歐、日四方參加,1998 年美方退出,2003 年中、美加入,2005 年韓國加入,2006 年印度加入。2005 年六月 ITER 裝置建在法國核技術研究中心CadaracheI。ITER 裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克。其裝置中心是高溫氘氚等離子體環,其中存在 15 兆安培的等離子體電流,核聚變反應功率達 50 萬千瓦,每秒釋放多達 1020 個高能中子。等離子體環在屏蔽包層的環型包套中,屏蔽包層將吸收 50 萬千瓦熱功率及核聚變反應所產生的所有中子。

在包層外是巨大的環形真空室。在下側有偏慮器與真空室相連,可排出核反應後的廢氣。真空室穿在16個大型超導環向場線圈(即縱場線圈)中。 環向超導磁體將產生 5.3特斯拉的環向強磁場,是裝置的關鍵部件之一,價值超過 12 億美元。穿過環的中心是一個巨大的超導線圈筒(中心螺管),在環向場線圈外側還布有六個大型環向超導線圈,即極向場線圈。中心螺管和極向場線圈的作用是產生等離子體電流和控制等離子體位形。 上述系統整個被罩於一個大杜瓦中,坐落於底座上,構成實驗堆本體。 綜合了當今世界各領域的一些頂尖技術,如:大型超導磁體技術,中能高流強加速器技術,連續、大功率毫米波技術,複雜的遠程控制技術等等。

至於熱核原料『氘』在海水中儲量極為豐富,一公升海水裡提取出的氘,在完全的聚變反應中可釋放相當於燃燒300公升汽油的能量;氚可在反應堆中通過鋰再生,而鋰在地殼和海水中都大量存在。氘氚反應的產物沒有放射性,中子對堆結構材料的活化也只產生少量較容易處理的短壽命放射性物質。聚變反應堆不產生污染環境的硫、氮氧化物,不釋放溫室效應氣體。另一種熱核原料『氦-3』的熱核反應堆中,由於沒有中子, 因此進行熱核反應過程中 ,不會產生放射性質子, 使用『氦-3』作為能源時,不會產生輻射、不會為環境帶來危害。

目前可能的核聚變反應主要有以下幾種:

氘(D)+  氘(D)→ 氦(He3)(0.82 MeV) + 中子(n)(2.45 Mev)
氘(D)+  氘(D)→ 氚(T)(1.01 MeV) + 質子(p)(3.03 Mev)
氘(D)+  氚(T)→ 氦(He4)(3.5 MeV) + 質子(p)(14.1 Mev)
氘(D)+  氦(He3) → 氦(He4)(3.67 MeV) + 中子(n)(14.67 Mev)

第二代和第三代聚變反應的方程

氘核的聚變反應溫度必須高達 1 億攝氏度;對於氘核與氚核間的聚變反應,溫度必須在5000萬攝氏度以上。而氘-氦3 等離子體的溫度則需要超過百億度。因此有人以此認為使用氦3作為核聚變是不可能的!?沒關係,就像當初氫彈的研發也有人說不可能,我們下面的新聞報導:

在 1996 年 7 月 19 日,日本熱核試驗裝置 JT-60 成功達到核聚變臨界,創造了人工製造的 5.2 億攝氏度。在 2009 年 5 月 29 日,位於美國的 NIF 是全球最大的激光核聚變裝置,啟動時,激光束會聚焦到一個很小的點上,從而產生上億攝氏度高溫,模擬出像恆星內核或核爆炸那麼強烈的溫度與壓力。是太陽核心溫度的 8 倍。另外,ITER 使用環形加速器也可以產生溫度超過 10 億攝氏度的氫電漿體。

根據 2008 年生活科學(LiveSci-ence)消息,桑迪亞(San-dia)國家實驗室的科學家,利用代號為「Z」的機組創造出了超高溫氣體,比太陽內部溫度的絕對溫度 1 千 5 百萬度還要高許多倍,20 億攝氏度這是當時在地球上所實現的最高溫度。

最後在 2010 年據新華社電,美國科學家在實驗室環境下創造 4 萬億攝氏度高溫紀錄,以模擬宇宙「大爆炸」後的情形,為探索宇宙成因提供素材。這樣高的溫度,相當於太陽中心溫度的 25 萬倍;如果在現實生活中,足以熔化所有物質。這項實驗由美國布魯克黑文國立實驗室完成,並由研究小組負責人史蒂文·維格朵在首都華盛頓借美國物理學會會議之際宣佈。

雖然目前利用核聚變來為人類創造無限能源,還是困難重重,但我相信夢想正一步步變成現實。那麼,核聚變發電何時可以實現呢?日本核聚變科學研究所的籐原所長說:我們核聚變的研究,是以於 2050 年左右能夠進行實際發電的驗證反應堆為目標的。而且,我們還期待著,到21世紀後半期,即使在大都市的郊外也能建設核聚變發電站。

冷核融合

新庄的蕭姓理化老師製作的核反應爐

冷核融合是指理論上在接近常溫常壓和相對簡單的設備條件下發生核聚變反應。冷核融合為大眾所週知起因於1989 年 3 月『弗萊許曼-龐斯實驗』,由科學家馬丁. 弗萊許曼(Martin Fleischmann)與史坦利·龐斯(Stanley Pons)所進行。由於當時有許多科學家努力重複該實驗,卻發現無法再現一樣的結果,最後變成笑話。另外就是在 2002 年美國「橡樹嶺國家實驗室」的科學家塔勒亞坎、密西根大學的貝伽堤,以及俄羅斯科學院的尼馬突林共同合作,在實驗室內利用簡單與廉價設備,成功融合氫原子核。據英國周日泰晤士報的報導,該研究最受矚目之處,是在室溫環境下完成。塔勒亞坎等人利用聲波製造氣泡,再利用聲波促使氣泡產生內爆,製造極高的溫度。科學家過去能製造的溫度為攝氏數萬度,但仍遠低於太陽的攝氏一千萬度。不過塔勒亞坎等人利用聲波『撞擊』氣泡,能快速升高溫度,促成氘原子融合。 但他們不確定是否可以用這種方法取得能源。他們把這種反應叫做『泡沫融合』,在實驗中出現兩個與核融合相同的現象,一個是產生中子,另一個是氫的放射線同位素氚,但研究人員無法實際看到核融合,而且在實驗過程中所耗費的能量大於所產生的能量。同時橡嶺實驗室其他科學家罕見地在網路上貼出一封質疑的信說,他們重做實驗時並未探測到足夠的中子。

另外,在 1997 威斯康星大學的聚變技術學院中的一個實驗室。實現了氦3的聚變反應。更有意思的是,他們用的辦法不是主流的托克馬克或者慣性約束,而是"靜電場約束"(Inertial-Electrostatic-Confinement,以下簡稱IEC)。這其實是一個已經有幾十年歷史的設計(也叫fusor),其原理如下圖:

IEC 結構圖

IEC 內部的金屬網格閃閃發光

上圖中半徑 45 厘米的大球是一個真空室,裡面有一個半徑 10 厘米的金屬網格。真空室的電壓為 0,而金屬網格帶有 10 萬伏的負高壓,這樣就形成了一個電場。因為參與聚變反應的原料都是帶正電的離子,它們一定在電場作用下會以高速往中間跑,並且來回震盪,在碰撞過程中就會發生聚變反應。相對於 ITER 那樣的龐然大物,IEC 整個裝置並不是很大。在這個裝置上已經實現了穩定的氘-氦3 聚變,反應率達到了每秒 260萬次,產生了大量質子,但輸出能量遠小於輸入能量,目前還遠遠不足以用來發電。目前 IEC 的實用價值主要是可以作為一個便攜式的中子和正電子產生器,比如說用於醫學。如果想增加反應率,必須提高能量輸入,但反應率似乎有一個上限,接近這個上限的時候你增加很多很多能量,反應率卻只增加一點點。對此網路上描述可能原因是靜電場約束只能約束帶正電的離子(中心網格帶負電),或者只能約束電子(中心網格帶正電),但不能同時約束離子和電子。IEC 的情況是真空室裡面能達到中心的只能是離子,而這麼多離子聚在一起他們會互相排斥,也就是說密度高不了。這也就意味著反應出來的能量密度高不了。而托克馬克裡面是同時有電子和離子的,只不過他們互相自由運動而已,所以托克馬克可以達到相對比較高的密度。正是因為這個原因,有人認為 IEC 裝置永遠也不可能實現聚變發電。

從微觀的角度來看,核融合是將二個原子核融合為一,在這個過程中,必須把兩個原子核拉近到少說也要十兆分之一公尺(10-13m)以內,而通常的化學反應中兩個原子間的距離是10-10m左右。兩個帶正電的原子核要合而為一,首先必須克服巨大的庫侖電場排斥力,這是一般化學方法無法達成的,因為在所有的化學反應中,需要離子、原子或分子的動能,都在小於 25 eV(氫原子電子的電離能為 13.6 eV,最高的惰性元素氦原子電子的一級電離能為 24.59 eV)而原子核反應則大於 106 電子伏特。舉實際的例子一個碳原子完全燃燒生成二氧化碳時,只放出 4.1 個電子伏特的能量,而氫-氚反應時能放出 400 萬電子伏特的能量。氘-氚反應時能放出 1780 萬電子伏特的能量。據計算 1 千克鈾 235 相當於 2500 噸煤,1 千克氘和氚相當於 1 萬噸煤。所以核裂變能和核聚變能分別是化學能的 250 萬倍和 1000 萬倍。因此,無論由能量或反應途徑的觀點來看,都不可能經由電解的化學方法達成核融合。

在網頁連結『用粒子反應實現可控冷核聚變』中提到該文作者可以經由他所設計的模型中可以實踐『可控冷核聚變』的訴求?他認為若兩質子共同俘獲了μ- 衰變釋放的 Hdtr 就會相互組織起來,在 μ衰變中也就發生了氫核聚變。即 μ- 衰變對氫核聚變有增強的作用?而 μ- 可以通過 π- 介子衰變生成。

粒子反應實現可控冷核聚變模型

先假設在 μ衰變中真的可以發生了氫核聚變!?根據前面的資料電離室只要加熱到 10 萬攝氏度,就可以取得『等離子體』,而 π 介子可由各類加速器產生的離子射線中取得。所以這個模型看起來似乎可行!?而且與上億度的熱核融合相比卻可以稱得上冷核融合。但是 10 萬攝氏度以目前材料而言,似乎沒有一種可以承受的,所以還是必須用到一些熱核的技術,而且絕大多數基本粒子都是不穩定的,在很短時間內就發生衰變,並且能相互轉變.例如,正負 π 介子的平均壽命約為 2.6×10-8秒,它衰變為 μ 子,同時產生一種質量非常小(與電子質量相比,可以認為質量為零)的中性粒子,叫做中微子,它屬於輕子,用 v 表示。μ 子也是不穩定的,平均壽命約為 2.2×10-6 秒,衰變為電子和正反兩個中微子。

但是 μ衰變中真的可以發生了氫核聚變嗎?我們從熱核反應中比較 10 萬攝氏度到上億攝氏度,中間相差千倍。若以 μ當作催化劑在能階的觀點來看似乎也不可能!?不過我不是這方面的專家,真偽不敢妄加評斷,所以這個議題還是留著繼續關注好了!

結論

綜合以上資料,我們知道熱核融合目前的進展雖然離商業運轉還有一段距離,但是起碼可以看到具體的成就,但是冷核融合目前來說還是不靠譜的!?至於在文章開始所提到使用鈀金屬板的『微型電弧反應爐』,由於一直查不到相關資料,只知道『鈀』是屬於稀貴重金屬,主要用途為吸附氫原子,但在航天、航空、航海、兵器和核能等高科技領域以及汽車製造業不可缺少的關鍵材料。主要產地是蘇聯,其次是南非。鈀比水銀毒 200 倍,在蘇聯他們提鍊鋁後,剩下的殘渣中就有鈀,它堅固又不氧化,在日本卻有很多人使用黃金加上鈀來補牙。

真是太失望了!?原本還以為真的有類似的東西或研究呢!?看來有生之年想玩上一趟像鋼鐵人那樣的個人飛行器是沒辦法了!因為你總不能核電廠飛到天上去吧!?

位于中國合肥的EAST裝置,於 2008 完成驗收。

看來只能背上這種笨重的飛行翅膀了!

個人飛行器

參考連結

幾乎完美的能源 人造太陽
國際熱核計劃啟動 七方攜手開發
冷融合成功
冷融合
電解重水為何會升溫並測到氚?──關於「冷融合實驗」的一解
論所謂『冷融合產氫』
中國10兆瓦高溫氣冷實驗堆
理化老師自製桌上型核反應爐
真假桌上型「人造太陽能源」
JLN Labs
核融合的插曲
量子穿隧效應
冷核聚變
解析冷核聚變
冷核聚變簡介
怎樣才容易實現可控核聚變
用粒子反應實現可控冷核聚變
我國參加國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃始末
電子伏特
庫侖定律
原子能
能量的概念與轉換
核化學

催化劑
輕子衰變
輕子
基本粒子與四種基本作用力
輕子家族
粒子物理摘要
無限小的粒子世界
夸克、輕子與量子場論
反物質
先進超導托卡馬克實驗裝置
中國科學院合肥物質科學研究院

附錄(甲)

最近熱門的話題有「高溫超導體」與「低溫冷融合」,後者尚未成定論,引起極大的爭議。但這裡要談的是高溫與低溫這兩名詞的使用。「高溫超導體」是指溫度在100K左右的陶磁超導電性,而「低溫冷融合」是指約在300K左右的核融合。「低溫」反而比較「高溫」!是否名詞誤用?不是的。它都指的是相對於圖二的能量範圍。在高溫超導發現以前的超導體都在10K左右,其原因是電子與原子振動交互作用能量E=kT,相當T在10K左右,而今發現100K的超導體,相對而言的確是高溫。而核融合本來只有在108K左右才會有,300K是超低溫了,所以至今大部分科學家還不相信低溫冷融合是可能的。

附錄(乙)

電子伏特 (Electron Volt),簡稱為電子伏,縮寫為 eV ,是能量的單位。代表一個電子(所帶電量為 -1.6 × 10-19 庫侖)經過1伏特的電場加速後所獲得的動能。電子伏與 SI 制的能量單位焦耳(J)的換算關係是

1 eV = 1.60217653(14)×10-19 J

附錄(丙)

所謂基本粒子就是構成物質的最基本的單元。根據作用力的不同,粒子分為強子、輕子和傳播子三太類。

強子就是是所有參與強力作用的粒子的總稱。它們由夸克組成,已發現的夸克有五種,它們是:上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克和底夸克。理論預言還有第六種夸克存在,已命名為頂夸克,但目前尚未發現。現有粒子中絕大部分是強子,質子、中子、π 介子等都屬於強子。

傳播子也屬於基本粒子。傳遞強作用的膠子共有8種,1979年在三噴注現象中被間接發現,它們可以組成膠子球,但至今尚未被直接觀測到。傳遞弱作用的W+,W-和Z0。中間玻色子是1983年發現的,非常重,是質子的80一90倍。

輕子就是只參與弱力、電磁力和引力作用,而不參與強相互作用的粒子的總稱。輕子共有六種,包括電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。電子、μ子和τ子是帶電的,所有的中微子都不帶電;τ子是1975年發現的重要粒子,不參與強作用,屬於輕子,但是它的質量很重,是電子的3600倍,質子的1.8倍,因此又叫重輕子。

輕子是不直接參與強相互作用的粒子,它們的自旋為1/2。至今實驗上還沒有發現輕子有任何結構,所以通常被認為自然界最基本的粒子之一。已經發現的輕子包括電子、μ子、τ子三種帶一個單位負電荷的粒子,分別以e-、μ-、τ-表示,以及它們分別對應的電子中微子、μ子中微子、τ子中微子三種不帶電的中微子,分別以νe、νμ、ντ表示。加上以上六種粒子各自的反粒子,共計12種輕子。

輕子可以劃分為三代,通常表示為:

有電荷的粒子及其反粒子中微子及反中微子
名稱符號電荷質量(MeVc-2)名稱符號電荷質量(MeVc-2)
電子 / 反電子 (正子)e^- \, / \, e^+−1 / +10.511電子中微子 / 反電子中微子\nu_e \, / \, \overline{\nu_e}0< 0.000003
μ子 / 反μ子\mu^- \, / \, \mu^+ −1 / +1105.7μ子中微子 / 反μ子中微子\nu_\mu \, / \, \overline{\nu_\mu}0< 0.19
τ子 / 反τ子\tau^- \, / \, \tau^+−1 / +11,777τ子中微子 / 反τ中微子\nu_\tau \, / \, \overline{\nu_\tau}0< 18.3

全站分類:知識學習 科學百科
自訂分類:科學軍事
上一則: 電磁炮的臆想
下一則: 北斗衛星導航系統

限會員,要發表迴響,請先登入