[ ⑨ ] 雜談夢幻的能源：核融合(二)熱核融合

看板Touhou作者momijichan (椛ちゃん)時間13年前 (2011/01/25 23:13)推噓6(6推 0噓 4→)

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本分類就是笨... 閒聊 ▊◤ ◥▎ ╲◥▼◣◣◢◢▼◤╱ 歡迎大家使用本項盡情哈拉 ◣╲◥ ︵︵ ◤╱◢ ◆── ◣┌┐◢ ──◆ 耍笨冰青蛙教人預防感冒等都不限制XD ╱◢ / 介 \ ◣╲ ▲﹏▲ ψ鱻閒聊時請心平氣和還有別太嚴肅別忘了你是在閒聊喔其實標題是相對於常溫核融合的說法，不然加了個「熱」字不會比較厲害。 XD 話說有看過回到未來系列電影的人可能會看過個東西： Mr. Fusion https://sites.google.com/site/maply07032/mrfusion.jpg

這個惡搞咖啡機的東西只要倒入啤酒和香蕉皮就可以產生足以穿越時空的巨大能量！事實上如果照前面提到的那張圖中，只要比鐵輕的元素都能透過核融合產生能量，不但能發電還能減少垃圾，多麼方便的能源啊！ > 話說，其實我沒看過回到未來(爆) 　　目前來說，要等到核融合能商業發電，大概要等到西元2050年！所以有生之年要看到 Mr. Fusion大量生產大概是不可能了，也許等22世紀哆啦○夢出廠，或是西元2307年軌道電梯建造完成的話，我們也不需要這種東西了吧？(笑) 　　人們期待核融合不是沒有原因的，由前一篇提到的圖中可以發現，氫原子在融合成氦的過程的高度差距最大，也就是說核反應中，氫融合單位質子放出的能量是最有效率的，而且氫融合後產生的氦原子非常的穩定，不會因為衰變而產生放射線，所以沒有所謂的核廢料，更不會因為連鎖反應而發生核爆，而且氫原子在宇宙中佔了約75%的比例，而地球上70%的面積是水，從水中就可以電解出氫，可說是取之不盡用之不竭，這樣棒的能源哪裡找得到啊！　　科學家：事情要是有這麼簡單的話就不會有諾貝爾獎可以拿了。　　話說核融合這東西其實在宇宙中其實很普遍的，以天元式的說法：　　「天上的星星都是核融合！」　　只要你看到會發光的恒星，它的內部都有核融合。簡單寫一下恒星內部的核反應式： 4H → He + γ + 2ν 　　反應能量為26.2MeV，H是氫原子、He是氦原子、ν是微中子，因為很難跟其它物質反應所以可以不用理他，而γ就是光子，因為能量很高而被稱為伽瑪射線，也就是常見三種輻射線的一種，所以核反應進行中還是有輻射的，這也就告訴你：　　沒事還是不可以接近阿空。　　這個式子只是個淨反應式，實際上四個氫原子要同時碰在一起可是比登天還難上幾倍，舉個例子：　　在夜市可能看過兩個人同時撞在一起，卻很少看過「同時」有四個人撞在一起對吧？實際以太陽內部為例，真實的反應過程為： 1. H + H → D + e(+) + ν ※ D：氘，一原子+一中子、e(+)：正電子 2. D + H → He(3) + γ ※ He(3)：氦同位素，比一般氦少一個中子。 3. He(3) + He(3) → He + 2H ※ 第三個反應很多分支，在這只寫出其中一種。　　這樣的反應需要一些條件：　　1.足夠高的溫度：因為原子核的之間是帶正電的，足夠高的溫度才能夠使原子核穿過電磁力的障礙使得原子核間的強力開始作用結合在一起，所以原子序越高的元素就需要更高的反應溫度。(註) 　　2.足夠高的密度：使得某些機率效應可以被克服，例如像碰撞與穿隧效應。(註) 　　一但沒辦法達成這兩個條件則無法反應，所以就算發電站出了什麼事，也不會發生像車諾比或三哩島那樣的核子事故。　　3.足夠的持續時間。 ※ 註：若是沒有穿隧效應，理論上太陽的溫度要比現在高1000倍才能發生核融合。　　所以在地上的人們想要得到夢幻的能源：核融合，就必需在地上製造一個人工太陽，而且是以太陽的核心條件為標準而製造。　　太陽的核心溫度約為一千五百萬度，而密度估計約為水的100倍，這種燙到不行的東西地上可沒有任何的「碗」能裝，能利用的只有超距力或光子，在太陽的情況是用重力去束縛，在幻想鄉中阿空是用八咫鳥的神力去達成，而在地球上通常用兩種方式去達成這個條件：慣性束縛、或是磁力約束。　　慣性束縛：利用衝擊波的方式將核種強制撞擊在一起，而人們利用的方式其中之一是用核子彈去引發原子核間的碰撞，不過像這種利用的方式不可能造福人類。而另一種方式則是使用雷射脈衝去引發裝有融合用核種的燃料球，這就是所謂雷射核融合。　　磁力約束：由於達到如此高溫的物質已經完全轉變成電漿態，電漿態的物質可由磁場控制其運動進而達到束縛的目的，從這個方式沿伸出來的反應裝置中，最有名的就是「托克瑪克」(Tokamak) 托克瑪克外部 https://sites.google.com/site/maply07032/tokamak1.jpg

托克瑪克內部 https://sites.google.com/site/maply07032/tokamak2.jpg

運作時的影片 http://www.youtube.com/watch?v=g8BZyiggEAE

其實東尼社長家的大型弧型反應爐的外型就是來自於此，實際當然沒那麼簡單啦！　　這時也許就有人會問了：現在我們有碗了，可以開始核融合了吧？　　當然可以，不過實際上我們馬上就會遇到好幾個問題，首先：氫原子雖然產生能源的效率很高，可是由於轉換成氘時需要吸收能量將其中一個質子轉換成中子並產生正電子，平均一個氫原子要等待十億年才有可能融合，在太陽中因為數量非常大，每秒就有很多的氫原子等到了融合的機會，而剩下的反應只要等待很短的時間就能完成，不過人造的東西怎麼也不可能達到太陽的規模，總不可能要我們等上十億年吧？　　還好，天無絕人之路，不能完成第一個氫融合反應，但是第二個反應的材料還是可以找得到，氘在宇宙前期時就已經形成了，佔了整體氫原子中約0.016%，雖然相對起來不算太多，不過也幾乎是用不完的等級了。　　另外，實際上人們就算找到了碗，但是經濟而有效的加熱原子核還有點問題，氘核反應需要的溫度最好在一億到五億度，太陽核心雖只有一千多萬度，不過因為其本身質量夠大，因為熱速度分佈(註)的關係，還是能夠很沒有效率的進行反應，不過人們加熱電漿了不起跟太陽同等級，可是效率不夠怎麼辦呢？還好，人們還有條件更低的選擇：　　氘-氚(註)反應。(D-T reaction) 　　反應溫度只要氘反應的一半左右。而氚雖然自然界中含量很少，不過可由鋰和中子反應而產生，以地球內部的鋰礦存量來說用於核融合大概可用200年。 ※ 註：氣體中，粒子的速度實際上為一個常態分佈，其中有跑得比較快跟較慢的粒子。 ※ 註：氚是具有放射性的元素，而且氘氚反應產生會產生中子，其可能會造成部份物質 > 產生放射性，不過整體來說還是遠比核分裂反應影響要遠低得多。　　而實際上，最後還有個問題是出在碗身上，目前若要將核融合商業運轉，勢必由核融合產生的能量要大於運轉設備所需要的能量，但是若是雷射核融合則需要好幾把超高能量的雷射鎗，而托克瑪克則需要強大的電流產生磁場，並且需要對磁場產生裝置散熱，這些問題造成的能量支出對科學家都是相當頭痛的問題，另外大型的托克馬克因為內部的磁場非常複雜，內部的電漿有可能會因為不穩定而逃脫束縛撞擊內壁而造成損壞，這也是為什麼早在1930年代即由加速器完成了核融合，20年後的1950年代首顆氫彈試爆，而在120年後的2050年核融合才有可能造福人群的原因。　　如果人類也能有一隻阿空養的話就太棒了，うにゅ！ ※ITER計畫，最有可能達成商轉目標的實驗性核融合計劃 http://tinyurl.com/ycbkkza 下篇則提一下有關常溫核融合的部份 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc) ◆ From: 114.43.79.226 ※ 編輯: momijichan 來自: 114.43.79.226 (01/25 23:19)

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Elysion775

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ChildLuna

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