零距離科學：未來工程——核聚變

文：馬學綸（香港中文大學微生物學系博士）
圖：香港電台

真正的太陽能——核聚變帶來的零碳未來

人類社會的發展與可使用的能源有很大關係，在工業革命中人類開採和使用了大量化石燃料，讓各種製造業、交通運輸和通訊方式等飛速發展，燃燒化石燃料亦能發電，有了穩定的電力供應，人類社會才能進入科技時代。然而，凡事有利亦必有弊，燃燒化石燃料所產生的二氧化碳加速了全球暖化，已經到了快要不能回頭的境地。

要人類社會一下子回到工業革命前的二氧化碳排放量，讓「使慣用慣」各種能源和科技的人們改變生活方式，都是不可能的，比較可行的方法是發展極低，甚至沒有二氧化碳和其他溫室效應氣體排放的能源。人類已掌握了不少以可再生能源發電的技術，可是最常用的太陽能和風力發電都很受天氣和外在環境影響，只能成為減少使用化石燃料的輔助。長遠之計，人類需要能由人類自行控製生產，不會導致全球暖化的「新能源」。

核裂變——後患無窮的眼不見為淨

其中一個熱門選項是以核能發電，人類以核能發電不是近來才有的事，已有近70年歷史，有別於以燃燒化石燃料把水加熱再推動蒸汽渦輪發動機，是以核反應放出的能量作為熱源，所以幾乎不會排放二氧化碳或其他溫室效應氣體。現在常見的是核裂變發電廠，以質量很重的重核元素，例如鈾的其中一種同位素鈾-235，濃縮製成燃料棒使用。當一顆鈾-235的原子核被中子撞擊，便會分裂成兩顆較輕的原子核，形成新的元素，同時放出三顆中子及伽馬射線，三顆中子可以繼續撞撃其他鈾-235原子核產生連鎖反應，而伽馬射缐可以用來加熱水來推動發電機。

然而，不論是由核裂變本身產生的較輕的元素，或是在過程中因吸收中子而產生的其他金屬或鈾同位素，都仍然會有放射性，需要長時間密封儲存和持續監測，直至放射性經持續衰變減低至「安全」水平。最終亦只能深埋在地下「眼不見為淨」，以人類現在的科技水平並未能從根源解決核廢料問題。

核聚變——真正的「太陽能」

科學家正在研究以另一種核反應發電，作為不會產生有害廢料的新能源。這種核反應就是在宇宙中很常見，能夠燃亮恆星的核聚變。我們的太陽也是一顆恆星，所以，我們所使用的太陽能，其實也是種「核能」。太陽的主要成份是氫和氦，由於太陽的質量很大，自身的重力會把內部的氫原子不斷擠壓，每兩顆氫原子會聚合成氦原子，產生以光子形式出現的能量。氦屬於惰性元素，不會與其他物資產生化學反應，也不會加速全球暖化。

由於原子核都帶正電，需要很大的壓力才能把它們擠到夠近而能夠產生聚變，而且是以電漿形式存在。這個狀能需要很強的重力和高溫來維持，例如太陽內部壓力是地球上的大氣壓力的3000倍，內部溫度高達1500萬度，所以，地球上沒有物料能「承載」，一碰到就會立即直接蒸發。一眾科學家找到了「非接觸性」的承載方法，就是利用磁場把電漿「浮起」，產生和維持這種強大磁場需要龐大的電磁鐵和精準的微調，並在真空的環境中注入重氫（比地球上一般氫原子重的同位素）和加熱至一至兩億度成為電漿，所以強大的電功率和電源穩定供應也很重要。

在全球幾千名科研和工程人員的努力下，開始建造非常巨大的JET（Joint European Torus）歐洲聯合環狀反應爐，雖然是使用同等電力而產生最大電力比例的紀錄保持者，卻始終未能克服所需電力比生產電力多的問題，現狀是調整和改進中。人類的另一個嘗試是ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor），目標是達到輸出能量比輸入能量高10倍，預計在2025年完成興建，成為全球最大的核聚變反應爐。

今集節目將會為大家介紹JET和ITER的設計和建造過程，還會和大家回顧人類研究核聚變的歷程，當中包含不少珍貴相片及影片，不要錯過！

《零距離科學》（節目網站）集合世界各地有趣的科學紀錄片，網羅與大眾息息相關的科學資訊，啟發觀眾的好奇心和求知慾，節目逢星期五晚10時在港台電視31播映。本集於9月10日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯：Alvin
核稿編輯：Alex