科學人 7月號/2023 第257期

在地球上製造恆星

核融合發電是否真的近在咫尺?

撰文/鮑爾(Philip Ball) 
繪圖/羅斯(Mark Ross) 
翻譯/甘錫安

2022 年 12 月，研究核融合的物理學家發表一項重大突破。美國加州國家點燃設施（ NIF ）研究團隊宣佈：他們進行的可控核融合反應所產生的能量，大於觸發該反應輸入的能量。這是全球的第一步、也是物理學上十分重要的一步，但距離將核融合做為可實際應用的能源還十分遙遠。NIF 團隊這次高調發佈訊息，引發大眾對核融合研究的關注，而各界的反應不令人意外：科技擁護者發出歡呼、懷疑者則提出反駁，抱怨科學家不斷地說核融合將在 20 年後實現（也有人講 30 年或 50 年 ）。

這種熱烈的反應顯示出核融合的重要性。世界越來越迫切需要豐沛的環保能源，來減緩燃燒化石燃料造成的氣候危機。目前使用的核分裂反應爐是讓很重的放射性元素的原子核分裂，核融合反應則是讓輕的原子核融合，在融合過程中產生能量，碳排放接近於零，不像核分裂會產生危險的放射性廢料。自 1950 年代起，物理學家就開始研究核融合發電，但要將其轉化成為可行的能源選項，還遙遠得令人沮喪。核融合是否能成為重要能源，滿足地球的迫切需求？如果可行，它是否還來得及阻止地球在高溫下融化？

第二個問題是這個領域中，罕見有明確答案的問題。大多數專家同意，我們不大可能在 2050 年前從核融合中生產大量能量（ 比較謹慎的人或許還會再加上 10 年 ）。全球溫度在這個世紀內的上升幅度，將取決於我們在這段時間，針對碳排放採取的行動（ 或者什麼也沒做 ），所以核融合未必是救星（ 102 頁〈 核融合救不了氣候 〉也提到這一點 ）。NIF 所在的美國勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory ）計畫主持人何瑞坎（ Omar Hurricane ）表示：「 現在看來，我確實認為核融合成為未來能源的可能性比 10 年前高出許多。但在未來 10~20 年內還是無法商業化，所以我們需要其他減緩暖化的方案。」

因此，要在 2050 年實現脫碳，將取決於太陽能和風能等再生能源、核分裂或是碳捕集等其他科技。然而，如果看更長遠，我們有理由認為 21 世紀下半葉，當更多開發中國家的能源預算達到西方國家的規模時，核融合將在能源經濟中扮演關鍵角色。解決氣候變遷問題不是一蹴可幾，如果能在未來數十年避免對氣候造成嚴重的影響，接下來的路將會平坦許多.....

解鎖原子核的宇宙能量——從戰爭、太空，到民生

100年前，科學家知道了原子核中蘊含著巨大能量，充滿好奇開始多方探索；80年前，科學家終於學會了如何釋放這巨大的能量，後果卻嚴酷而慘烈；40年前，科學家將這巨大能量放上太空船，展開拜訪遙遠天體的旅程，傳回豐碩成果；不知40年後，這巨大能量是否終能走回人間，造福民生？

文／孫維新

1999年8月17日晚間，我在美國洛杉磯的航太總署噴射推進實驗室（NASA/JPL）的庭園中，手上拿著一杯雞尾酒，參加一個意義非凡的科研派對。不過美國這種官式派對單純而無聊，就是拿著一杯酒，和不熟的人講一些客套而空洞的話，然後看誰站得久。

時間來到了晚上8點20分左右，派對的主人快步來到庭園中，興奮地叫大家趕快進屋，說：「倒數計時馬上就要開始了！」大家匆忙進入大廳，時間接近8點28分，所有人同聲跟著主持人喊：「10, 9, 8 …… 5, 4, 3, 2, 1!」然後爆出熱烈歡呼，舉杯互敬。然後呢？好像什麼事都沒有發生，大家又恢復平靜，轉頭找人繼續剛才客套而空洞的對話。

在剛剛倒數計時終了的那一剎那，到底發生了什麼事？1999年8月17日，美西夏令時間晚上8點28分，NASA的土星探測太空船卡西尼號和地球擦身而過，以1171公里的最近距離，從南太平洋上空高速飛掠，這個距離僅是地球直徑的1/10，居住在皮特凱恩群島上當年英國皇家海軍邦蒂號叛變船員的後裔，當天晚上如果恰好在那個時間抬頭，就會看到一個微小光點，高速劃過夜空而去。（有興趣解邦蒂號和皮特凱恩群島的讀者，可以找1935年的電影「叛艦喋血記」來看，由克拉克蓋博主演，是那一年奧斯卡獎的最佳影片。）

卡西尼號在1997年10月15日發射升空，展開了一場長達20年的外太陽系行星之旅，它先在內太陽系繞圈圈，1998年4月第一次經過金星，1999年6月第二次經過金星，8月經過地球（就是前面提到的派對時間），2000年12月經過木星，這連續四次的「重力輔助飛掠」（gravity-assisted flyby），讓卡西尼號的速度不斷打怪升級，在發射之後不到七年，就來到了土星周邊，接下來的科學成果讓世人目不暇給！
   
舉幾個例子：卡西尼號在飛往土星的途中，利用其和地球在太陽兩側的機會，檢驗了與地球往返聯絡的無線電訊號經過太陽旁的扭曲時空所產生的頻率改變，再次驗證了愛因斯坦的廣義相對論；2005年1月，從卡西尼號釋出的惠更斯號探測器，成功降落在土衛六泰坦地表，傳回了泰坦表面由甲烷構成的江河湖海的圖像；2010年11月，卡西尼號以不到50公里的高度，兩次穿越土衛二恩西拉德斯地表正在噴發的冰噴泉，讓科學家能研究在那個有水有地熱的環境中，是否有可能孕育生命。卡西尼號任務創造了許多個「第一」，是NASA探索外太陽系最成功的任務之一。

但這個任務差點不能成行，就在1997年10月發射前，環保人士舉行了大規模的反對活動 “Stop Cassini !” ，多達1500人的抗議群眾，不少人用白黑兩色把自己的臉漆成骷髏，在甘迺迪太空中心外隔著鐵絲網和鎮暴警察對峙。奇怪了，太空任務不是美國的驕傲嗎？那些年太空梭發射時，美國民眾不都扶老攜幼到現場觀禮，手撫胸口、眼中含淚，高唱「天佑美國」？何以今天演變至此？原因無它，就是因為太空船上的能量來源是「放射性同位素熱電反應器」（RTG）。

    RTG使用二氧化鈽（PuO2）放射性衰變所產生的熱量做為能量來源，在1954年間就已問世，1961年第一次使用在太空任務上，在那之後的60年間，光是美國就已經有多達24個太空任務使用RTG。因為它體積小、效率高，又能穩定供電長達數十年，所以像我們所熟知的航海家一號和二號、火星登陸任務維京人一號和二號、精神號和機會號、探索木星的伽利略號、前往冥王星的新視野號，以及現在仍在運作的好奇號和毅力號，都是RTG的愛用者。

但因為RTG使用的是放射性同位素Pu-238，卡西尼號上的核燃料又有34公斤之多，就讓反核團體連結到了核分裂反應爐和原子彈上太空，認為發射時萬一失敗，就會嚴重污染美國東南半壁。在抗議聲中，卡西尼號還是由當時的柯林頓總統特許發射升空，但故事並沒有結束，抗議人士看到卡西尼號在1997年10月安全離開地球，好不容易「送神」出門，怎麼到了1999年8月它又繞回來了？還要從地球旁邊擦身而過？萬一距離沒算好，在飛行幾億公里之後，稍微差上個1000多公里，撞入地球大氣層可怎麼辦？

核元件前進太空有何危險？RTG是一個長1.1米、寬40公分的細長圓柱，外層抗壓可以到每平方英寸2000磅，但是1986年挑戰者號太空梭升空爆炸，瞬間所產生的壓力達到每平方英寸4000磅，還好當時太空梭酬載艙中沒有RTG。但是同樣的事情發生過沒有？有的，1996年11月，前蘇聯的「火星96」任務發射進入地球軌道後，沒有成功出航前往火星，反而調轉頭來栽入地球大氣層，殘骸碎片散落在智利和玻利維亞的邊界叢林中，太空船攜帶的200克二氧化鈽小球，到今天都沒找到，但也沒有偵測到任何輻射洩漏。

有人就說，為什麼不用太陽能板？簡單的數學計算就知道不可能，土星到太陽的距離是地球到太陽的10倍，從土星看太陽，太陽只有滿月直徑的1/10大小，就是一個大亮星而已，更麻煩的是光線強度隨著距離平方減弱，在土星旁的太空船所能接收到的太陽光，只是地球的1/100，不用說太空船了，恐怕連個太陽能熱水器都啟動不了。

時至今日，我們已經清楚知道，人類要航向太空深處，除了核燃料沒有別的選擇，各個太空先進國家，都持續在研發新一代的核燃料反應裝置。前兩個月英國政府剛批准了勞斯萊斯公司第二筆研發經費，發展未來在月球表面使用的熱核反應器，畢竟，在月表生活，每個月都要忍受連續14個白天，接著14個黑夜，靠太陽能板是活不下去的。太空時代即將到來，在嚴苛的太空環境裡，沒有「非核家園」這種高遠理想存在的空間。

但核分裂給人留下的陰影常在，即將在7月上映的電影「奧本海默」中，有兩句話極為震撼： “You don’t fear it, until you understand it. You don’t understand it, until you have used it.” （用過了才會了解，了解了才會害怕！）接下來的畫面就是一朵蕈狀雲直衝天際。

這一期《科學人》的封面主題談的是目前「核融合」在世界上的最新進展，到底「核融合」是否有朝一日能取代「核分裂」，成為人類世安全潔淨的能量來源？我小時候聽說的是「再等40年」，老來聽說的……還是「再等40年」。希望您有時間，翻閱一下這篇文章，解在可見的未來，我們是否真能掌握這個宇宙能量為人所用！

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