科學人雜誌
物理學

核融合發電,動工!

2021-02-01 文/莫斯柯維茨(Clara Moskowitz)|攝影/席拉(Manuela Schirra)、吉拉蒂(Fabrizio Giraldi)
國際熱核實驗反應爐(ITER)終於在去年7月開始組裝,由歐盟與六大國聯手執行。一旦啟用,潔淨能源將源源不絕。

重點提要

  1. 太陽的能量來自於核融合反應,這種反應也可能為我們提供大量潔淨能源。
  2. 國際熱核實驗反應爐(ITER)是全球最大的核融合發電計畫,屢經推遲直到去年7月方才動工組裝。
  3. ITER預計在2025年啟用,2035年全功率運轉,可望成為減緩全球暖化的再生能源選項。

▲質能互換:
在ITER場址,工程師正在檢視環狀真空腔體的第一區段(運轉時將是直立的)。理論上,在環狀腔體裡的電漿會點燃核融合反應,氘和氚(氫的兩種同位素)高速碰撞,有機會黏附並形成氦氣。依據愛因斯坦著名方程式E=mc2可知,核融合反應中減少的微小質量會轉變成巨大能量。


人類是消耗能源的物種,而目前的能量來源尚無法滿足人類的需求。只要科學家能操控核融合反應,就有可能運用這種為太陽供應能量的過程,產生潔淨豐沛的能源。國際熱核實驗反應爐(ITER)是迄今最大且最宏偉的計畫,嘗試操控兩個原子合而為一時產生的能量。這項實驗耗資250億美元,合作國家包括歐盟、中國、印度、日本、南韓、俄羅斯和美國,在法國聖保羅-杜蘭斯河畔執行,旨在實踐先前核融合實驗都未能達成的終極目標:產生的熱量多於所消耗的。


這項計畫延遲許久且成本激增,幾年前一項重大的獨立評估還迫使領導階層辭去職務。反對者認為,此計畫總歸是愚蠢無用,投入了太多時間和金錢,而實驗目的並非建立一座可運轉的發電廠,僅僅是驗證一種概念。但是當科學家開始連接由各國提供的眾多部件,反應爐正式組裝,ITER終於在去年7月邁向翹首盼望的里程碑。2015年接任ITER主席的比哥特(Bernard Bigot)說:「我們就像馬拉松接力賽的選手,雖然過了第一關,但知道後面還有很多關。這使我們對未來更有信心,也知道沒有理所當然的事。」


難題在於,要在實驗室內部建造微型太陽,然後加以操控。此實驗的核心是2萬3000公噸的圓柱體,內部強大的超導磁鐵將操控電漿長時間維持在1.5億℃,直到核融合發生。要順利點燃核融合反應是巨大挑戰,硬體建造也相當棘手。沒有參與ITER的美國威廉與瑪麗學院電漿物理學家莫代克(Saskia Mordijck)評論:「這項大型國際計畫的各個部件來自世界各地,必須像拼圖一樣組裝在一起,並且要能運轉。」


科學家希望能在2025年啟動反應爐,2035年實踐以全功率運轉的終極目標。此計畫一旦成功,將獲得巨大的報償。核融合產生的能量有可能比燃煤或石油更多,勝過傳統核電廠使用的核分裂燃料。核融合發電並不會產生溫室氣體或放射性廢料。比哥特說:「我認為核融合發電真的是再生能源的一種選項,並且可以減緩氣候變遷,未來三、四年絕對至關重要。」


▲既冷又熱:
此真空腔體的內部將是全宇宙最高溫的區域之一,有1.5億℃的電漿流動其中,而且配備了全宇宙最低溫的儀器之一,也就是用於操控電漿的磁鐵,必須維持在大約–269℃(絕對溫度4K)。把兩者隔開的是塗覆著鈹的「鋼毯」,藉由螺柱連接於真空腔體的內壁,連接的位置目前暫以防塵的黃色蓋子包覆。


▲傲視群倫:
從環形大廳的上方(1)和中段(2)視角,可見ITER設施內的托卡馬克(tokamak)反應爐大小。「托卡馬克」是「帶有磁線圈的環狀腔體」的俄語簡稱,這個概念最早由蘇聯物理學家戈洛文(Igor Golovin)於1957年提出。ITER的托卡馬克反應爐比目前最大規模的還大一倍,將是史上這類裝置中最大的。此反應爐的基座於去年7月經由垂吊安放在這座大廳,宣告這項計畫在法國南部場址的組裝正式展開。歐盟提供了該場址,承擔整項計畫將近一半的成本,資金由歐盟組織「核融合能源」(Fusion for Energy)管理。


▲按部就班:
此真空腔體將由六個區段組成,每一區段都在南韓或義大利製造。巨大的鋼材必須透過船運送往法國馬賽鄰近的濱海福斯港口,再經由公路往東北100公里送達ITER場址。現在工作人員把第一批部件、磁鐵和隔熱罩組裝起來(1),然後垂吊到將安放托卡馬克反應爐的大廳中。


▲深度凍結:
超導磁鐵的運作需要以低溫泵中循環的液態氦,維持在大約–269℃下。操作人員根據當地氣壓、氣溫和液態氦流量的讀數,藉由一組複雜的手動閥(2)來控制系統;承包商液化空氣集團(Air Liquide)建造的低溫廠房(3)將成為全球最大的氦冷卻機組。


▲磁力無邊:
ITER透過整組磁鐵來操控電漿,進而點燃核融合反應,其中有6個環形超導極向磁鐵,這些磁鐵是水平堆疊來包覆電漿。此外有18個環形場線圈將垂直環繞整部機器,中間是大型中央螺形線圈,構成有史以來最大的超導磁鐵系統。超導體能讓電流在無電阻的情況下流動,電子可自由移動以產生強力磁場。


▲龐然大物:
由鈮錫和鈮鈦製成的極向磁鐵,是ITER唯一在現場製造的部件。磁鐵直徑介於17~24公尺,每個重達400公噸,體積龐大到無法在其他地方建造再運送過來。此照片是極向磁場6號線圈(Poloidal Field Coil #6)的冷卻低溫恆溫器。


國際熱核實驗反應爐(ITER)官網:https://www.iter.org/
關於本文的精采圖集,請見網頁:https://www.scientificamerican.com/article/worlds-largest-fusion-reactor-begins-assembly/


# 關鍵字:物理學能源核融合
更多文章
活動推薦更多
追蹤科學人