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用既快又強的雷射 做個能源大夢吧
專訪中研院原分所研究員兼台大物理系和中央大學物理系汪治平教授
中央大學的100兆瓦雷射放大器
尋找乾淨、便宜又能取之不盡、用之不竭的能源供應,一直是關係人類文明發展的重大課題。在 2020 年 7 月底的一則以「世界最大核融合反應爐終進入組裝階段, 2025 年進行電漿測試」的新聞,相信會讓關心這個課題的人們,眼睛為之一亮,因為一旦成功,人類可是從此掌握恆星級的能源秘密,而在人類朝核融合前進的途中,雷射也占有一席之地。

為什麼說核融合是恆星級的能源?只要抬頭看看高懸頭頂的太陽,它其實就是已經運作近 50 億年的核融合反應爐,在太陽的核心每秒有 6.2 億噸的氫,正在透過原子核的核融合,產生關係地球生命所需的能量,並將氫原子聚變成氦原子,科學家們估計,這樣的核融合反應還可再持續 60 億年。近在咫尺的大陽,也正好讓人類觀摩氫原子是如何在高溫高壓下,融合成氦原子,而如何創造同樣高溫高壓的環境,從而產生可以控制的核融合反應,就成為科學家們努力的目標。

目前磁局限融合(Magnetic confinement fusion,MCF)和慣性局限融合(Inertial confinement fusion,ICF)是最有可能誘發核融合反應,並可長期運作的方式。前面新聞中提到:由歐盟、中國、印度、日本、俄羅斯、南韓和美國等聯合出資,在法國南部建造的國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER),就是採用磁局限融合的運作方式,需要先將做為燃料的氘和氚,先用高溫加熱成為電漿,磁場則可讓其中的帶電粒子在固定的範圍內,一直進行螺線運動,讓電漿持續加熱,直到產生核融合反應。

美國的國家點火設施(National Ignition Facility,NIF)、法國的大型百萬焦耳雷射(Laser Mégajoule,LMJ)則在嚐試,利用雷射的衝擊波,讓包含氘和氚的燃料球達到極高溫度和壓力,進而引發核融合反應。以我國中央大學的飛秒雷射來說,脈衝瞬間產生的功率相當於10,000個核能電廠的總和,聚焦之後照度達正午陽光的1020倍,磁場達地球表面磁場的20億倍,電場達氫原子內部電場的50倍,光壓則達太陽中心壓力的四分之一。若是照射到固體的表面,則會產生如同太陽中心的1,000萬度高溫,對自由電子能產生5 × 1023 g 的加速度。

這種慣性局限融合是目前最可能實現可控核融合的兩大主流方案之一,甚至在2014年2月, NIF 用 192 支雷射,第一次實現了「燃料增益」,即燃料輸出的能量大於燃料吸收的能量。在海水中氫與氘的比率約為99.98%對0.02%,因此氘的來源不虞匱乏。在地球上氚的自然含量雖極為稀有,但可利用中子撞擊鋰原子的同位素來製造。核融合反應所帶來的放射性污染極少,且沒有碳排放問題,人類似乎距離實現核融合這種既乾淨,又取之不盡、用之不竭的恆星級能源技術愈來愈近,但長年研究強場物理和超快技術的中央研究院原子與分子科學研究所研究員兼台大物理系和中央大學物理系汪治平教授卻提醒,不論是磁局限融合還是慣性局限融合,距離達成「能量增益」且穩定可靠的商業運轉,還有相當長的路要走。

汪教授形容運用雷射的慣性局限融合,就有如汽車引擎氣缸內經過壓縮的可燃混合氣,靠火星塞點燃油氣,爆發產生動力,而不需要一個體積超大、溫度超高的蒸氣鍋爐。對於慣性局限融合,強場雷射或它所驅動的電子束相當於點火器,希望一旦點燃燃料球,觸發核融合反應後,就可以不再需要外部能量,而能透過連鎖反應,自動融合剩下的燃料,這也讓慣性局限融合看起來似乎有其優勢。但汪教授也明確指出,科學家所面臨的挑戰是如何有效地壓縮燃料和點燃反應。

要想產生連鎖反應,燃料球的密度必須遠大於凝體的密度,而當燃料球被雷射加熱成為高密度電漿態時,就會像是一面鏡子,將雷射反射回來。因此需要先將雷射轉換成X光,來降低反射。但這樣的轉換將會消耗大量的外部能量,對於慣性局限融合要達成具備商業運轉價值的「能量增益」,形成相當大的挑戰。

使用氘和氚為燃料的核融合反應,主要的能量產出是中子的動能,因此需要將它先轉換成熱能,再透過蒸氣等方式發電,在轉換的過程中,會損失能量並可能因中子撞擊而產生微量帶有輻射性的物質。目前還有用氫硼混合物為燃料的核融合反應,因為不產生中子,所產生的能量有可能直接從帶電的離子轉換為電能,但科學家估計,需要高達太陽核心 200 倍的溫度,接近攝氏 30 億度。

曾有一份發表在「Laser and Particle Beams」期刊的研究報告指出,這個障礙隨著雷射技術的進步將不再是問題,拍瓦級(petawatt-scale)的高強度雷射脈衝可在 10-12 秒內產生千兆瓦的功率,以精確的非線性力將原子核壓縮在一起,引發「雪崩式」融合反應。但還是回到汪教授的耳提面命:產生千兆瓦功率的雷射需要輸入多少能量?即使成功引發氫硼核融合反應,在能量的帳上是否能淨賺尚未可知。

雖然運用雷射的慣性局限融合仍困難重重,但用來產生巨大功率的飛秒雷射,卻可讓科學家們更容易研究物質的更基本結構和交互作用。原本這樣的高能物理研究,是由像歐洲核子研究組織(European Organization for Nuclear Research,CERN)興建傳統的電子加速器來進行,只是傳統的電子加速器愈來愈巨大、昂貴,建造和維護的費用似已達到社會願意負擔的極限,能將 1 公里傳統加速器生的效果,縮小到 1 公尺的距離內達成,在汪教授的心目中,是比雷射核融合的進展還要更接近現實,值得關注的未來發展重點。