台灣廢核與中國大陸研發核融合決定未來歷史命運

一、核融合的發展 

    台灣的廢核讓核能科技脫離了世界主流，事實上當人類進入太空後發現只有太陽能及核能可使用，而太陽的能量也是來自於核聚變(融合)反應，所以人類怎可拋棄核能科技?愛因斯坦的相對論告訴我們質量的減少可轉換成能量，在物理上，核分裂或核融合都會放出巨大的能量，核分裂需要鈾235同位素等可分裂物質，但地球上的鈾礦有限，而核融合的原料可從海水中氫的同位素氘獲得，可以無限量供應，但核融合的控制技術很難，所以核能的應用需要循序漸進，一般分為核分裂、快滋生及核融合三步驟，核聚變是全世界能源發展的前沿方向，關係著人類文明是否能延續。所謂人造太陽就是以超導磁場約束離子，通過能波加熱，讓等離子氣體達到上億度的高溫，發生核聚變的裝置，就像太陽一樣能為人類提供源源不斷的能量。世界人口數量已經逾79億，能源的爭奪已成各國生存的法則，然而化石燃料的儲量有限，尋找未來能源成為當務之急。萬物生長靠太陽，無論是傳統的煤炭、石油、天然氣這樣的化石能源，還是風能、水力及生質能都來自太陽能，而太陽能是來自其內部的核融合反應，人類當然可以模仿太陽產生能量的原理，研發可控制的核融合技術，製造出人造太陽。可控制核融合是目前人類認識到的可以最終解決人類社會能源問題和環境問題、推動人類社會可持續發展的重要途徑之一。托卡馬克裝置是一種核融合反應器，其概念從 1950 年代開始成形，並由蘇聯科學家命名，為俄語「環形真空磁線圈」的縮寫。托卡馬克裝置是一個環狀甜甜圈，在其中極高溫的電漿被磁場約束和加壓，以進行核融合反應。 

     國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃於2006年誕生，ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克，由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度七方參與，包括了全世界主要的核國家，覆蓋的人口接近全球一半，中國在這一計劃中要投入100億人民幣。計劃在法國南部普羅旺斯地區共同建造一個電站規模的聚變反應堆，也是世界上最大的托馬克裝置。ITER是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科技合作項目之一，凝聚了國際聚變界多年來的研究成果，以及國際聚變界的技術力量。中國承擔了大約9%的採購包研發任務，參與計劃科學家的平台、技術和發現是共享的。除了ITER外，世界各先進國家都有各自長期的核融合計劃，包括：日本的JT-60計劃，歐洲共同體的JET計劃及韓國的KSTAR計劃，核聚變發電成功只是時間遲早的問題。 

二、中國大陸及歐洲的核聚變最新發展 

    中國的“人造太陽”裝置東方超環EAST 是中國自主設計建造的核聚變實驗裝，其主機高11米、直徑8米、重達400噸。率先實現一億度的超高溫，很早就實現了101.2秒穩態長脈衝高約束等離子體運行，在核聚變實驗中一直保持著領先。核聚變反應釋放的能量比核裂變更大更難控制，但核聚變反應不會產生長伴化期的核輻射廢料，而且生成物是無放射性污染的氦。2016年2月，合肥全超導託卡馬克物理實驗就實現了電子溫度達到5000萬℃持續時間最長的等離子體放電；2021年5月28日，全超導託卡馬克核聚變實驗裝置創造了可重複的1.2億℃的高溫，並且持續了101秒，同時還實現了1.6億℃持續20秒的運行。2021年12月30日，全超導託卡馬克核聚變實驗裝置又實現了7000萬℃高溫下1056秒的長脈衝高參數等離子體運行，打破了自己保持的世界紀錄，標誌著中國在可控核聚變研究上處於世界領先水平。全超導託卡馬克裝置是一種利用磁約束和真空絕熱來實現受控核聚變的環形容器，運行原理就是在裝置的真空室內加入少量氫的同位素氘或氚，再通過物理方法使其變成高密度和高溫條件下的等離子體，進而發生聚變反應產生強大的能量。另外，中國還參加了國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER），還在建造中國聚變工程實驗堆（CEFTR），預計將在2050年建設成為可控核聚變商業示範堆。 

　  利物浦大學丁理峰博士與英國皇家學院院士安德魯·科珀教授帶領的聯合團隊設計出一種新型材料，通過一種被稱為“動態量子篩分”的過程，實現氘氣體從混合氣體中的有效分離。它能從氣體氫氘混合氣體中選擇氘分子並大量吸附它，雖然人造太陽道路漫長，但EAST裝置已衍生出一系列重要創新成果，形成了超導技術、低溫技術、等離子體技術、生物技術、材料技術、機器人技術等多個產業技術板塊，推動一大批高新技術成果實現轉移轉化。比如依托EAST裝置技術優勢研發的超導迴旋質子治療系統成為一種新型腫瘤治療方式，其設備的核心部件——超導迴旋加速器，依託的正是EAST提供的超導技術，具有體積小、能耗低、易維護等優勢。“發展可控核聚變技術意義深遠。”丁理峰表示，人類最大的困擾其實歸根結底是能源問題。未來，如果可控核聚變真的實現了，所帶來的接近無限的清潔能源將會徹底解決能源問題。溫室效應導致的全球變暖將會成為歷史。廉價的能源也會加快經濟建設和工業生產，同時也會幫助改善環境的治理。可控核聚變的實現意味著人類將會進入一個新的紀元。核能科技是人類未來的希望，台灣傻傻廢核將徹底輸給韓國、失去競爭力並將被歷史主流淘汰。 

    據歐洲核聚變研發創新聯盟（EUROfusion）、英國原子能管理局（UKAEA）和國際熱核聚變實驗堆（ITER）2022年2月9日聯合召開新聞發布會稱，歐洲科學家在通過聚變等離子體生產能源的道路上也取得了重大成功：世界上規模最大的核聚變反應堆歐洲聯合環狀反應堆（JET）中產生了能量輸出為59兆焦耳的穩定等離子體。JET曾在1997年產生約22兆焦耳聚變能量的等離子體，創造了當時的世界紀錄。新實驗打破了該紀錄，研究人員此次進行的是氘氚混合燃料聚變實驗。同時，為了使JET實驗盡可能接近未來的熱核聚變實驗堆條件，他們用鈹和鎢的混合物而不是碳覆蓋等離子體容器壁，因為金屬鎢比碳更耐腐蝕，而且不會像碳一樣過多地與燃料結合。此次實驗在比太陽中心溫度高10倍的條件下，產生的聚變能量達到了創紀錄水平。ITER設施目前正在法國南部的卡達拉奇建設，預計將使用氘和氚混合燃料，計劃實現產出能量10倍於輸入能量（聚變增益）。要想產生淨能量，即輸出能量是加熱等離子體所需能量的兩倍這一目標，在卡達拉奇ITER設施上線前是不可能實現的。德國馬克斯·普朗克等離子體物理學研究所科學主任西比勒·君特教授表示：“JET的最新實驗是向ITER最終目標邁出的重要一步。” 

三、月球土壤中富含氦-3是理想核聚變燃料

　  核聚變反應最容易實現的 D-T（氘-氚）反應及 D-D（氘-氘） 反應的產物中都有中子輻射，因而各有各的安全顧慮。而氦-3可以與氫的同位素氘進行核聚變反應，與一般的核聚變反應不同，氦-3在核聚變的整個過程中不產生中子，它放射性非常小，而且整個反應非常易於控制。以氦-3為代表的第三代核聚變材料是一種安全，清潔，並且非常可靠的新能源。氘與氦-3核聚變反應的生成物是氦-4及質子，質子帶正電，所以會被限制在電磁場內，不會四處亂跑，氘、氦3 和氦4 也都是無幅射的物質，所以很乾淨。但因為氘-氦3 反應的溫度比 D-D 反應高，所以做為氘-氦3 反應原料的氘會有一部份自行先進行融合，放出中子產生些微輻射。月球土壤長期接受太陽的照射，含有大量太陽風粒子直接注入的同位素，其中就含豐富的氦-3。而地球表面由於覆蓋著厚厚的大氣層，太陽風不能直接抵達地表，所以，地球上氦-3的天然儲量非常低。據估算，月壤中氦-3的資源總量可達100萬~500萬噸。氦-3是核聚變發電的燃料，據專家計算，如果採用氘和氚進行核聚變反應發電，全世界一年有100噸氚就夠了。以目前全球電價和空間運輸成本算，1噸氚的價值約40億美元，而且隨著空間技術發展，空間運輸成本將下降。所以開發利用月壤中的氚將是解決人類能源危機的途徑之一。   

   科學家在月壤中發現了大量的氦-3，月球上約有5億噸氦-3，按照目前地球的能源消耗規模，月球上的氦-3用於核聚變發電後能夠滿足人類約1萬年的能源需求。如果能開發利用月壤中的氦-3，那麼在月球上建核電站就可以就地取材了。目前全世界所有的人口，所有的國家的城市，一年的用電量只需要一百噸的氦-3就能完成。保守估計月球的氦-3可供全世界開採10000年。另一方面，氦-3也是非常完美的火箭推進器的燃料。可以說對於未來星際移民、深空探索也至關重要。如果能夠在月球上實現氦-3的量產，按目前的航天飛機，僅一個晝夜就可以把數噸氦-3運回地球。如果這個設想能夠實現，按照科學的計算成本，大概是現在核電站發電成本的十分之一不到，加上它安全和環保的特性。月球上的氦-3具有巨大的開發前景。