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核聚變

原子核的聚變反應

核聚變（英語：Nuclear fusion，台灣稱為核融合），又稱聚變反應，是指將兩個較輕的核結合而形成一個較重的核和一個極輕的核（或粒子）的一種核反應形式。在此過程中，物質並沒有守恆，因為有一部分正在聚變的原子核的物質被轉化為光子（能量）。核聚變是給活躍的或「主序的」恆星提供能量的過程。

太陽是主序星，通過原子核的核聚變產生能量，把氫原子聚變成氦原子。在它的核心，太陽發生以每秒鐘6.2億噸氫的核聚變。

兩個較輕的核在聚變過程中產生質量耗損而釋放出巨大的能量，兩個輕核在發生聚變時雖然因它們都帶正電荷而彼此排斥，然而兩個能量足夠高的核迎面相遇，它們就能相當緊密地聚集在一起，以致核力能夠克服庫侖斥力而發生核反應，這個反應叫做核聚變。[1]

舉例：兩個質量小的原子，比方說兩個氘原子，在一定條件下（如超高溫和高壓），會發生原子核互相聚合作用，生成中子和氦-3，並伴隨着巨大的能量釋放。

原子核中蘊藏巨大的能量。根據質能方程式E=mc2，原子核之淨質量變化（反應物與生成物之質量差）造成能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核，稱為核分裂，如原子彈爆炸；如果是由較輕的原子核變化為較重的原子核，稱為核聚變。一般來說，這種核反應會終止於鐵，因為其原子核最為穩定。

1920年，亞瑟·愛丁頓提出氫氦聚變可能是恆星能量的主要來源。在歐內斯特·盧瑟福的核嬗變實驗基礎上，馬克·奧利芬特於1932年完成了氫同位素的實驗室聚變。1930年代，漢斯·貝特提出了恆星核聚變主循環的理論。1940年代初，作為曼哈頓計劃的一部分，開始研究用於軍事目的的核聚變。1951年，在核試驗中完成了核聚變。1952年11月1日，在常春藤麥克氫彈試驗中首次進行了大規模核聚變。

最早的人工核聚變技術在氫彈上得到應用成果。1950年代，人類開始研究用於民用目的的受控熱核聚變。

基本原理

核聚變將諸如氫原子核一類的較輕的原子核結合形成較重的原子核。原子核帶正電，故庫侖力會阻礙原子核的結合。克服庫侖勢壘需要大量的能量。輕核所帶的電荷少，因此它們聚變時需要克服的勢壘越小，釋放出的能量就越多。隨着原子核質量的增加到一個臨界點時，聚變反應所需克服的位能大於反應放出的能量，即沒有淨能量產生。這一臨界點是鎳-62。

氘核與氚核是核聚變的最佳燃料。它們都是氫原子核的重同位素。由於中子與質子比相對較高，它們的勢壘也就較小。電中性的中子通過核力使得原子核中的核子緊密地結合在一起。氚核的中子與質子比（2個中子，1個質子）是穩定原子核中最高的。增加質子或減少中子都會使得克服勢壘所需的能量變多。

一般條件下氘核與氚核的混合態不會產生持續的核聚變。由於核子之間的距離小於10fm才會有核力的作用，因此核子必須靠外部能量聚合在一起。就算在溫度極高，密度極大的太陽中心，平均每個質子要等待數十億年才能參與一次聚變。[2]要使聚變能夠實際應用，原子核利用率必須大幅提升：溫度提升到 K，或施加極大的壓強。實現自持聚變反應並獲得能量增益的關於密度和壓強的必要條件就是慣性約束聚變。這一準則自1950年代氫彈爆炸成功而聞名，而在地球上實現慣性約束聚變十分困難。

發生條件

如果要進行核聚變反應，首先就必須提高物質的溫度，使原子核和電子分開，處於這種狀態的物質稱為等離子體。顧名思義，核力是一種非常強大的力量，而其力量所及的範圍僅止於10−10～10−13米左右，當質子和中子互相接近至此範圍時，核力就會發揮作用，因而發生核聚變反應。

但由於原子核帶正電，彼此間會互相排斥，所以很難使其彼此互相接近。若要克服其相斥的力量，就必須適當地控制等離子體的溫度、密度和封閉時間﹝維持時間﹞，此三項條件缺一不可。由於提高物質的溫度可以使原子核劇烈轉動，因此溫度升高，密度變大，封閉的時間越長，彼此接近的機會越大。

由於等離子體很快就會飛散開來，所以必須先將其封閉。用來使等離子體封閉的方法有許多種，太陽內部是利用巨大重力使等離子體封閉，而在地球上則必須採取別的方法，磁場的利用便是其中一種。當等離子體帶電時，電荷被捲在磁力線上，因此只要製造出磁場，就能夠將等離子體封閉，使它們懸浮在真空中。

研究歷史

1920年，亞瑟·愛丁頓提出氫氦聚變可能是恆星能量的主要來源。

1932年，馬克·奧利芬特在盧瑟福的核嬗變實驗基礎上，完成了氫同位素的實驗室聚變[3]。

1930年代，漢斯·貝特提出了恆星核聚變主循環的理論[3]。

1940年代初，用於軍事目的的核聚變研究被列入曼哈頓計劃[3]。

1951年，美國實施溫室行動，在核試驗中完成了人類首次的核聚變[3]。

1951年5月，萊曼·史匹哲提出仿星器概念，此後至六十年代，仿星器一直是核聚變能研究的主流裝置，直至蘇聯提出了比仿星器更高效的托卡馬克概念，關於仿星器的研究才被擱置[4]。

1952年11月1日，美國在常春藤麥克的氫彈試驗中首次進行了大規模核聚變[3]。

1950年代早期，馬克·奧利芬特在澳洲國立大學成立了至今依舊活躍的等離子體核聚變研究設施H-1NF（英語：H-1NF）。

目前人類已經可以實現不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸；也可以觸發可控制核聚變，只是輸入的能量大於輸出、或發生時間極短。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規模，實現持續、平穩的能量輸出；而觸發核聚變反應必須消耗能量（約1億度），因此人工核聚變所產生的能量與觸發核聚變的能量要到達一定的比例才能有經濟效應。科學家正努力研究如何控制核聚變，但是現在看來還有很長的路要走。目前主要的幾種可控制核聚變方式：Z脈衝功率設施、激光約束（慣性約束）核聚變、磁約束核聚變（托卡馬克）。

2005年，部份科學家相信已經成功做出小型的核聚變[5]，並且得到初步驗證[6]。首個實驗核聚變發電站將選址法國[7]。

根據2014年2月12日英國科學期刊《自然》電子版，美國能源部所屬國家研究機構羅倫士利福摩爾國家實驗室的研究團隊首次確認，使用高功率激光進行的核聚變實驗，從燃料所釋放出來的能量，超出投入的能量。[8]

2014年10月，洛歇·馬田宣佈發明小型核聚變反應堆，100兆瓦特反應堆縮小至7x10呎大小，於1年之內能進行測試，10年內能正式運轉[9]。大部分科學家對此聲明表示懷疑，其小型反應堆與世上任何反應堆構造都不同。

目前世界上最大的實驗性托卡馬克反應堆是法國南部正在建設中的國際熱核聚變實驗反應堆，2020年7月，該項目正式啟動機器組裝階段，截至2022年7月 (2022-07)，據實現首次等離子體放電所需的工作已達成77.1%，預計將於2025年12月進行首次測試[10]。

2019年11月，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室正在進行一項等離子體線性實驗（PLX），旨在結合目前兩種核聚變方式之所長。

2018年11月，中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所宣佈在合肥綜合性國家科學中心的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置實現一億度等離子體運行[11]。2021年5月，EAST創造新的世界紀錄，成功實現可重複的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，將1億攝氏度20秒的原紀錄延長了5倍[12]。

參見：可控核聚變

2022年12月，美國能源部宣佈，羅倫士利佛摩國家實驗室科學家首度達成「能量淨增益」，即在核聚變反應達成產出的能量遠高於引發反應所使用能量，將有助發展潔淨能源。[13]

  •  
    氘-氚 （D-T）的核聚變反應產生氦（He）與中子（n），期間釋放出的核能，在核聚變發電中難度最低，是目前考慮中的未來主要能源。
  •  
    質子-質子鏈反應是太陽和比太陽輕的恆星產生能量的主要方式。
  •  
    碳氮氧循環是比太陽重的恆星主要產能方式。
 
核聚變反應速度會一直與溫度一起上升，直到最大反應速率溫度後、逐漸下降。DT反應速度峰值的溫度是最低的（約70 keV或八億度k)，，而且高於另外的反應。

發電

核聚變發電反應的比較[14][15][16][17][18]
反應物 產物 Q n/MeV
第一代核聚變發電燃料
2
1H + 2
1H (D-D) 		→ 3
2He + 1
0 		3.268 MeV 0.306
2
1H + 2
1H (D-D) 		→ 3
1H + 1
1H 		4.032 MeV 0
2
1H + 3
1H (D-T) 		→ 4
2He + 1
0 		17.571 MeV 0.057
第二代核聚變燃料
2
1H + 3
2He (D-3
He) 		→ 4
2He + 1
1H 		18.354 MeV 0
第三代核聚變燃料
3
2He + 3
2He 		→ 4
2He + 2 1
1H 		12.86 MeV 0
11
5B+ 1
1H 		→ 3 4
2He 		8.68 MeV 0
氘（D）聚變總反應 （前四行反應的總和）
6 D → 2(4
He + n + p) 		43.225 MeV 0.046
目前最常用的核燃料
235
U + n 		→ 2 核分裂產物 + 2.5 n ~200 MeV 0.001

燃料中的氘是穩定同位素、可以由海水獲得，氚的半衰期短、但可以用中子撞擊鋰-6來獲得 [19] ，氦-3可以是清潔核燃料，但地球的存量很少，必須要到月球或木星上通過宇宙採礦獲取。

D-T反應及D-D反應都會產生中子，而這會讓核聚變設施帶有輻射，但這些核廢料比核分裂發電造成的好處理多了；而反應溫度更高的D-3
He反應本身沒有產生中子，但因為反應物包含D，因此會附帶D-D反應、而產生中子；純3
He的反應則只會產生質子、質子可以用電場處理、而且還可以用來直接發電（類似燃料電池的方法），11
5B + 1
1H反應的原料更好取得，但第三代核聚變的技術難度又更高一截。

優缺點

 
D型環的托卡馬克裝置是最有希望達成的受控聚變設計

相較於核分裂發電，核聚變產生的核廢料半衰期極短（低管理成本、核洩漏時總危害較低、最多只有一公里內需要撤退）、安全性也更高（不維持對核的約束便會停止反應）。如氘和氚之核聚變反應，其原料可直接取自海水，來源幾乎取之不盡，因而是比較理想的能源取得方式。[20] 核聚變也是一種中子源，藉此可以觸發核分裂。利用中子源來觸發核分裂反應稱為次臨界核分裂，次臨界核分裂不但安全性接近核聚變，且技術難度較核聚變發電低（若是把核聚變來當中子源觸發核分裂發電，技術需求也會比僅使用核聚變的能量發電低），還可以處理核分裂發電造成的核廢料及過多的原子彈、讓這些核廢料的半衰期由數萬年縮短為數百年。[20]

商用

2023年5月10日，微軟公司與私營核聚變發電公司Helion簽訂購電協議[21][22]。

參見

參考文獻

  1. ^ 核聚變技術重大突破將揭曉 用不盡且零碳排終極能源一篇看懂 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） ，中央社，2022年12月13日
  2. ^ FusEdWeb | Fusion Education. Fusedweb.llnl.gov. [2013-10-11]. （原始內容存檔於2013-05-10）. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 張恆. 在地球上“种太阳”：一文读懂核聚变和ITER的前世今生. 中國核學會. 澎湃新聞. 2020-08-04 [2022-09-14]. （原始內容存檔於2022-09-15）. 
  4. ^ 核聚变的起源. ITER. [2022-09-14]. （原始內容存檔於2022-09-14）. 
  5. ^ Robert Nigmatulin. Nano-scale thermonuclear fusion in imploding vapor bubbles. ScienceDirect. 2005-02-16 [2010-02-06]. 
  6. ^ Emil Venere. Purdue findings support earlier nuclear fusion experiments. Purdue University. 2005-07-12 [2010-02-06]. （原始內容存檔於2020-02-14） （英語）. 
  7. ^ France wins bid for world first fusion plant. Xinhua.net. 2005-06-28 [2010-02-06]. （原始內容存檔於2012-02-26） （英語）. 
  8. ^ 美首次實證雷射核融合 放出超量能量. 新頭殼newtalk. 2014-02-13 [2014-02-17]. （原始內容存檔於2014-03-02）. 
  9. ^ Lockheed says makes breakthrough on fusion energy project （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, Reuters, 15 October 2014, Andrea Shalal
  10. ^ What is ITER?. ITER. [2022-09-14]. （原始內容存檔於2022-10-16） （英語）. 
  11. ^ 中科院合肥综合性国家科学中心EAST装置实现1亿度等离子体运行. 中國科學院等離子體物理研究所. 2018-11-12 [2018-11-17]. （原始內容存檔於2021-01-13）. 
  12. ^ 中国“人造太阳”创亿度百秒世界纪录. 新華網. 2021-05-28 [2021-05-28]. （原始內容存檔於2021-06-28）. 
  13. ^ 美國核融合研究達能量淨增益締造里程碑 助發展潔淨能源[影] | 科技 | 中央社 CNA. www.cna.com.tw. [2022-12-14]. （原始內容存檔於2022-12-23） （中文（臺灣））. 
  14. ^ Inertial Electrostatic Confinement Fusion. [2007-05-06]. （原始內容存檔於2021-01-26）. 
  15. ^ Nuclear Fission and Fusion. [2007-05-06]. （原始內容存檔於2007-04-04）. 
  16. ^ The Fusion Reaction. [2007-05-06]. （原始內容存檔於2013-07-31）. 
  17. ^ John Santarius. A Strategy for D – 3He Development (PDF). June 2006 [2007-05-06]. （原始內容存檔 (PDF)於2007-07-03）. 
  18. ^ Nuclear Reactions. [2007-05-06]. （原始內容存檔於2000-02-01）. 
  19. ^ Hanaor, D.A.H.; Kolb, M.H.H.; Gan, Y.; Kamlah, M.; Knitter, R. Solution based synthesis of mixed-phase materials in the Li2TiO3-Li4SiO4 system. Journal of Nuclear Materials. 2014, 456: 151–161 [2017-02-07]. doi:10.1016/j.jnucmat.2014.09.028. （原始內容存檔於2020-06-12）. 
  20. ^ 20.0 20.1 李迪; 陳科. 是杀伤利器也是发电能手核能的“两副面孔”如何炼成. 科技日報數字報. 科技日報. 2021-03-18 [2022-09-14]. （原始內容存檔於2022-09-15）. 
  21. ^ Timothy Gardner. Microsoft signs power purchase deal with nuclear fusion company Helion. reuters.com. 2023-05-10 [2023-05-10]. （原始內容存檔於2023-05-22）. 
  22. ^ Jennifer Hiller. 微軟比很多人想像的更快押注核融合發電. 華爾街日報. 獨家新聞. 2023-05-10 [2023-05-10]. （原始內容存檔於2023-05-24）. 

外部連結

 
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