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廢核政策下還奢談核融合發電
2023/11/14 07:52
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廢核政策下還奢談核融合發電

 

 

一、核聚變(核融合)對人類未來至關重要  各國競相發展 

   能源議題是總統大選的戰場之一,日前行政院長陳建仁面對立委質詢稱,未來如果核能發展進入到核融合當然樂觀其成,也可能很快採用。前政務委員暨能源專家梁啟源認為,核融合的技術還未成熟,不符合成本效益且還緩不濟急,不如先考慮核電廠延役。多年來,核聚變技術一直是一個笑話:“聚變是未來的能源,而且永遠都是。” 但第二句話不再正確,超導、磁性材料、雷射和計算領域的技術突破了一些核聚變技術。這些進步「極大地改變了核融合的發展軌跡;減少溫室氣體排放的迫切需求為資助必要的聚變研發提供了強而有力的動力。聚變所承諾的低成本、低污染和豐富的能源終於有望實現。”事實上當人類進入太空後只有太陽能及核能可使用,而太陽的能量是來自核聚變。世界各先進國家都在進行核聚變研究試圖永遠解決能源問題。要發生核融合反應,必須將燃料加熱到攝氏1億度以上,形成原子核質子和電子自由移動的「等離子」狀態。控制具有高能量且不穩定的等離子體的技術,包括利用強力磁鐵封閉等離子體的托卡馬克型和用雷射照射並封閉的雷射型等。自2010年代後期以來,全球出現了許多核融合初創公司,募集到鉅額資金,其中大部分是私人投資。還出現了被稱為「三強」的企業,力爭到2030年代投入實用發電。其中之一的英國托卡馬克能源公司2022年3月在企業之中首次實現了核融合反應所需的1億攝氏度的等離子體。為了長時間保存放入球狀容器的等離子體,將致力於開發使用強力超導磁鐵的技術,到2026年將建設實驗反應爐。源自美國麻省理工學院的美國聯邦聚變系統公司也將使用超導磁鐵。生成的能量多於投入能量的實驗反應爐將於2025年投入運行。加拿大General Fusion將使用一種用液態金屬包裹和壓縮等離子體的自主技術,該公司計劃在2027年之前在英國啟動實驗性反應爐。日本Astamus調查公司稱核聚變申請專利是中國排在首位。 

   核聚變的控制技術很難,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。托卡馬克裝置是一種核聚變反應器,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,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。中國的東方超環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。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。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。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。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。” 

二、世界各國核聚變發展 

   雖然各國不斷放出核聚變研究突破消息,但多半是吹牛,實際進展有太多瓶頸須要突破。《南華早報》曾報導中國頂級科學家中國工程物理研究院的彭先覺院士稱核聚變發電距離我們只有6年的時間了,他表示“聚變點火是當今世界科技皇冠上的一顆明珠”,但是要實現聚變點火太難了!彭院士說核聚變點火有兩種,一種是激光點火,利用高頻脈衝的極光輸出來點燃核聚變燃料小球,但這需要性能極高的儲能設施比如高性能電容與激光來驅動,對目前來說技術難度太高。另一種是磁約束等離子體核聚變,這種是利用磁場約束極端高溫的氘氚等離子體來讓其中的氘核和氚核聚變,不僅需要不斷對等離子體提供加熱,還需要長時間約束它,儘管已經露出一線曙光,多項技術上獲得了突破,但難度同樣非常大,實際應用遙遙無期。彭院士表示一種包含聚變和裂變反應堆結構的混合堆可以相對降低這個難度,Z-FFR聚變堆的中心聚變需求功率比較低,易於實現,用聚變為裂變提供中子增值,聚變只佔整個反應堆能量的5%,裂變佔95%,這個混合堆可以使用核廢料作為原料,將會率先實現聚變應用!Z-FFR其實是兩種技術的混合,Z-箍縮技術和裂變增殖堆,Z-箍縮其實是一種慣性約束結束,只不過點火方式改成了脈衝電流產生的強磁場。 

(一)亞洲時報盛讚中國EAST的成就 

    根據《日本經濟新聞》網站報導,中國在核聚變研究領域與其他許多科技領域一樣都居於世界領先地位。核聚變雖然離實用階段還有很長距離,但作為人類永續能源的希望,人類希望在本世紀40年代以後實現實用化。對核聚變重要專利的統計發現,中國排在世界首位,領先美國(第二位)及日本(第四位)。在企業和研究機構等排名前20位組織的專利之中,中國科學院擁有的用於核聚變爐內壁的特殊陶瓷複合材料技術獲得的評價最高。近年來,中國核聚變技術迅速趕超。中國不僅與日美歐等國家一同參與了國際核聚變實驗堆項目(ITER),而且在以發電為目的的研究劃方面走在了世界前列。報導說,核聚變有可能在未來與可再生能源一起,成為去碳化的主力。日前,科幻影片《流浪地球2》爆紅,劇情就涉及核聚變,如果一個國家不重視科技是無法拍出生動的科幻影片。 

    亞洲時報盛讚中國先進超導託卡馬克實驗裝置EAST的成就,中國已躋身於國際磁約束聚變研究的前沿。位於合肥的 EAST 反應堆利用強大的磁場將熱等離子體限制在其環形真空室內,能夠在與氘氚燃料聚變所需的溫度範圍內正常運行。2023年4月12日,EAST 首次成功地在稱為“H 模式”的動態狀態下維持 1 億攝氏度的等離子體超過 6 分鐘,其中“H”代表“高限制”。長期以來,這種特定的等離子體狀態一直被認為特別有利於託卡馬克裝置中等離子體的穩定限制。目前正在法國建造的巨型國際環形實驗反應堆 (ITER) 預計將以“H 模式”運行。在 2021 年 12 月 30 日,EAST 打破了之前所有的限制時間記錄,在相同溫度範圍內保持等離子體超過 17 分鐘。這在一定程度上要歸功於發現了一種迄今未知的等離子體狀態,中國科學家稱之為“超 I 模式”。可以想像,“超 I 模式”——或未來可能發現的其他模式——可能被證明在托卡馬克裝置實現聚變方面優於 H 模式。自2006年以來,EAST在解決長脈衝運行相關的關鍵技術和物理問題上取得了一個又一個輝煌的里程碑。正在法國 Cadarache 建設的 ITER 預計將在 2035 年完成,ITER 本身並不是為了發電而設計的,而只是為第一個原型發電廠“DEMO”提供最後的墊腳石。根據亞洲時報報導,由於美國和日本科學家最近在核聚變領域取得重大突破,中國正敦促核聚變物理學家加倍努力並加快步伐。中國工程院院士萬元熙表示,中國已經證明了利用托卡馬克開發聚變發電的可行性,下一步就是實現發電。自20世紀70年代以來,中國已建造了中小型托卡馬克裝置,例如成都西南物理研究所的HL-1和HL-1M以及等離子體物理研究所的HT-6B和HT-6M。2021年5月,EAST在1.2億度的溫度下實現了101秒的穩態高約束模式(H模式)運行。2021年12月,它在7000萬度的溫度下保持了穩定的等離子體1056秒。今年4月12日,實現了全球首個403秒穩態H模式等離子體。 EAST托卡馬克的成功推動中國在磁聚變領域處於世界領先地位,EAST 使用非常不同的等離子體參數運行,但其許多結果以及其設計中體現的技術成就無疑與高場設備相關。 

(二)美國核聚變研究成果 

    2022年12月13日,美國能源部(DOE)及國家核安全局(NNSA)宣布,加州勞倫斯利佛摩國家實驗室(簡稱LLNL)的科學家通過提供2.05兆焦耳(MJ)的能量實現了核聚變淨能量增益實驗產生了 3.15 MJ 的聚變能量輸出。美國能源部表示,該實驗證明了慣性聚變能的基本科學依據。科學家表示,如果反應堆能夠實現每秒10次點火,聚變發電就有可能實現。2023年7月30日LLNL實驗團隊在「國家點火設施」(NIF)實驗中,再次成功實現去年的實驗,這次的能量輸出超過3.5百萬焦耳,比去年12月所產生的能量還要更高。美國初創公司Helion Energy表示,Helion計劃在2028年向微軟提供50兆瓦的聚變電力。LLNL的點火具有重要意義,它是人類實現聚變能源的一大步。依據POWER網站報導,美國TAE Technologies公司稱其研究支持以氫硼為燃料的核聚變反應提供電力的途徑。DOE表示核聚變研究的投資有望加速。TAE 於 2021 年與 NIFS 建立了合作夥伴關係,該公司表示氫硼項目源於“美國和日本聚變研究人員為探索無子聚變而進行的長期合作”。無中子產生的核聚變其中能量是以帶電粒子的形式釋放,通常是質子或α粒子。而有中子產生的核聚變反應可能會以中子的形式釋放多達 80% 的能量。TAE 是全球三大從事聚變能研究的團體之一,該公司已成功產生和限制聚變等離子體超過 140,000 次。 

   可惜美國政府資金匱乏,錯過了提供必要的研究資金的機會。這讓美國喪失了主導全球核聚變的努力。雖然核聚變在商用發電仍面臨諸多困難,但仍是人類未來的希望。美國私人投資開始流入這項工作,但政府對基礎科學的支持不足正在減緩進展。今年7月美國參眾兩院未能支持拜登總統提出的10億美元支持核融合研究的呼籲。參眾兩院都堅持現狀讓美國落後了。科學家認為美國國會未能增加核融合資金,讓美國在國際技術競賽中落後,忽視了巨大的經濟機遇,損害了美國國家安全,並放棄了應對氣候變遷的道德立場。 

(三)英國核聚變發展 

   最近,《亞洲時報》科學編輯喬納森‧坦南鮑姆發表了一系列有關核聚變的文章,主要是以參觀英國歐洲聯合環面聚變反應堆(JET)的觀感為主。作者認為英國政府將核聚變作為國家優先事項,不僅要建造一座原型核聚變電站同時還要創建一個國家核聚變電站。英國選擇了球形托卡馬克設計取代了傳統穿過「甜甜圈孔」的寬大、巨大的螺線管,只有一個狹窄的中心柱,使等離子體更接近反應爐的垂直軸。First Light Fusion是一家私英國人公司,採用完全不同的聚變方法。First Light的技術是所謂慣性約束聚變的創新形式,其中能量以填充聚變燃料的微小顆粒的微爆炸形式釋放。雷射聚變是最著名的例子。英國原子能機構與 First Light 簽署了一項協議,在卡勒姆設計和建造一個新設施,以演示聚變的淨能量釋放。歐洲聯合環面 (JET)是世界上最大的托卡馬克反應堆,位於英國卡勒姆。JET 作為歐洲國家的合作項目而建立,已經運行了 40 多年,成為等離子體和聚變研究國際合作的主力。2021年12月,JET創下了受控條件下聚變反應產生能量的最新世界紀錄。在 5 秒脈衝期間,JET 透過氘和氚的聚變產生 59 MJ 的熱能。作者認為JET產生的核聚變知識、經驗和技術是迄今為止最成功的聚變實驗之一。英國採用與傳統托卡馬克設計不同的球形反應器,就限制熱等離子體的能力而言,緊湊球形比傳統托卡馬克效率更高。與現有最大的核聚變反應器(歐洲的 JET 和日本的 JT-60SA)相比,透過傳統託卡馬克設計獲得實用聚變能的途徑需要將規模擴大 10 倍或更多。 

(四)日本核聚變發展 

   在核融合發電領域,日本政府和企業組建聯盟。三菱商事、關西電力及政府旗下16家企業將向京都大學的初創企業出資約100億日元提高技術開發能力,日本將通過這種「舉國體制」參與全球競爭。研究單位Kyoto Fusioneering在被稱為「迴旋振盪管(gyrotron)」的等離子加熱裝置領域具有較高技術能力,這是促進核融合反應的核心裝置,在開發方面領先於世界。由於技術受到期待,從英國原子能管理局 (UKAEA)獲得設備訂單。2024年將在日本國內設置核融合發電的小規模實驗設備,驗證迴旋振盪管等裝置能否穩定運轉以及提取熱量等。預計自2020年代後半期開始,實驗反應爐的建設在全球正式啟動,設備需求有望擴大。日本自上世紀90年代以來一直在國家主導下推進項目,包括參與國際項目「國際熱核融合實驗堆(ITER)」。日本擁有領先水平的技術,慶應大學教授岡野邦彥表示:「在材料開發方面與歐洲一起走在前列」。日本政府也在4月制定了推動核融合發電實用化的首個國家戰略,提出了加快推進産業化和培養專業人才的方針。日本的Nikkan Kogyo報紙報導稱,日本一個政府小組將討論推進建造原型核聚變反應堆的時間表。日本官員表示必須重啟更多在 2011 年福島災難後閒置的核電機組,並建造新的下一代反應堆,以實現該國到 2050 年實現碳中和的目標。 

三、台灣傻傻廢核而中國大陸研發核聚變可改變人類命運 

    台灣的廢核讓核能科技死亡,而中國大陸的核能發展包括核聚變發展卻使中國科技為列世界前沿國家令人唏噓。地球這顆已存在46億年的藍色星球上,支撐人類活動的能量幾乎全來自1.496億公里外的太陽。從煤炭、石油、天然氣,到風能、水能、生質能,這些能量本質上都是太陽能,而太陽能則來自內部的核融合反應。人類的能源需求越來越大,除了造成溫室效應影響氣候變遷外,傳統化石能源遲早走向枯竭。作為一種新型的清潔能源,核融合發電被認為是未來解決能源短缺問題的方向之一。在中國科技電影《流浪地球2》中,人類藉助重核融合產生的巨大能量,為地球安裝了上萬座巨大的行星發動機,推著地球開啟「流浪之旅」。現實中,雖然像電影中那樣的重核元素可控核融合還難以實現,但對氫及其同位素的可控核融合研究,人類已走過一個多世紀的歷程。1980年代,國際熱核融合實驗堆(ITER)計畫啟動,這是全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作計畫之一。 

  近年來,一代代中國科學家持續努力,讓國內可控核融合研究領域佳績頻出:2006年,中科院等離子物理研究所建造了世界上首個非圓截面全超導託卡馬克實驗裝置-EAST。2018年,EAST實驗裝置率先實現加熱功率超過10兆瓦、等離子體儲能增加到300千焦、等離子體中心電子溫度達到1億攝氏度等一系列成果,標誌著中國未來聚變反應器實驗的運行邁出了關鍵一步。今年,EAST實驗裝置創造新的世界紀錄,成功實現穩態高約束模式等離子體運行403秒,新突破對探索未來的聚變堆前沿物理問題,提升核聚變能源經濟性、可行性,加速實現聚變發電具有重要意義。隨著碳中和目標的提出,尋找清潔、穩定、高效的能源越迫切。與化石能源相比,核融合反應不排放二氧化碳;與核分裂變能相比,它不會產生核廢料,輻射也小。基於此,多國政府和企業入場,推動了核融合技術的研發和商業化進程。2020年至2022年,美國陸續發布8份政策性文件,推動聚變能源商用化進程。2021年,英國政府發布《邁向核融合能源:英國核融合戰略》,提出抓住核融合發展機遇,在核融合商業化和專案部署方面發揮引領作用。去年10月,英國政府宣布確定興建核融合原型原型工廠的地點,計畫2040年建成,並為該計畫第一階段研發提供2.2億英鎊的資金支持。今年,日本正式敲定首個核融合能源開發策略方案,計畫推出企業參與研發實驗的核融合反應堆,並爭取在2050年左右實現核融合發電。2022年1月10日,在韓國大田市韓國聚變能源研究所,KSTAR研究中心本部長尹時雨向媒體記者介紹超導核融合研究成果。除了政府外,企業和私人投資也瞄準核融合領域。日前行政院長陳建仁雖意識到核融合的重要,但核能科技需要循序漸進,廢除核分裂核能的應用根本斷絕核能科技也無法研發核融合發電。

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