如果有一天,人類能把太陽的力量搬到地球上,讓發電廠幾乎有用不完的燃料,而且不必燒煤、燒天然氣,也不會排出大量二氧化碳,那會是什麼樣的世界?
許多科學家認為,「雷射核融合」可能就是通往這個目標的重要技術,因此近年來受到全球高度關注。
所謂核融合,其實就是太陽發光發熱的秘密。太陽裡面有大量氫原子,在極高溫和極高壓的環境下,這些小小的原子核會互相結合,變成較重的原子核,同時釋放出驚人的能量。太陽每天照亮地球,就是靠這種反應持續運作。
而雷射核融合,就是科學家試圖在地球上模仿太陽的一種方法,利用超強雷射,把極小的核融合燃料壓縮到極端高溫、高壓狀態,進而讓原子核彼此融合、釋放巨大能量的技術。它屬於核融合(Fusion)的一種實現方式,正式名稱通常叫做「慣性局限融合」(Inertial Confinement Fusion,ICF)。
在實驗中,研究人員會先製作一顆比米粒還小得多的燃料球,裡面裝著特殊的氫燃料。接著,數十道甚至上百道超強雷射會同時從四面八方射向這顆小球。當雷射能量集中在燃料球表面時,外層會瞬間爆開,而反作用力則會把燃料球內部猛烈向中心擠壓。
這個過程就像把一顆小氣球突然用巨大的力量往內壓縮一樣。當壓力和溫度高到接近太陽中心的程度時,原子核就有機會融合,並釋放出大量能量。
許多人好奇,既然已經有核能發電,為什麼還要研究核融合?原因在於,目前大多數核電廠使用的是「核分裂」。核分裂是把大型原子核拆開來獲得能量;核融合則是把小型原子核結合起來產生能量。雖然兩者都屬於核能技術,但原理完全不同。
科學家之所以期待核融合,是因為它有不少吸引人的優點。首先,它使用的燃料之一「氘(注音:ㄉㄠ、英語:Deuterium)」可以從海水中取得,地球上的數量非常龐大。其次,核融合發電幾乎不會排放造成全球暖化的二氧化碳。再者,核融合反應必須維持極端條件才能進行,一旦設備停止運作,反應通常也會跟著停止,因此不像核分裂那樣需要擔心連鎖反應持續進行。
正因如此,核融合常被稱為「終極能源」或「人造太陽」。
其實,科學家研究核融合已經超過半個世紀。從1950年代開始,各國就投入大量資源,希望找到可控制的核融合技術。1960年雷射發明後,研究人員很快想到,也許可以利用強大的雷射來壓縮燃料,創造核融合所需要的環境。
多年來,世界各國陸續建造大型實驗設施。其中最著名的是美國的國家點火設施(National Ignition Facility,NIF)。這座實驗室擁有世界上最強大的雷射系統之一,專門進行雷射核融合研究。
到了2022年底,這項研究迎來重大突破。美國研究團隊宣布,他們成功讓燃料球釋放出的融合能量超過射入燃料球的雷射能量。這是人類第一次達到被稱為「點火」的重要里程碑,因此被視為核融合發展史上的重大進展。
不過,這並不代表核融合發電廠明天就會出現。因為如果把整套雷射設備消耗的電力全部算進去,目前實驗仍然是耗費的總能量大於產生的總能量。換句話說,科學家雖然證明核融合可以成功發生,但距離真正穩定供電、商業化運轉,還有不少技術難題要克服。
目前世界上的核融合研究大致分成兩條路線。一條是雷射核融合,利用雷射瞬間壓縮燃料;另一條則是磁場核融合,利用超強磁場把高溫電漿困在特殊反應爐中。兩種方法雖然做法不同,但目標都一樣,就是希望把太陽的能量安全地帶到地球上。
大家可以把雷射核融合想像成科學家正在努力打造一顆「迷你太陽」。雖然這顆迷你太陽目前還待在實驗室裡,距離真正替千家萬戶供電還有一段路,但如果未來研究成功,它可能成為人類歷史上最重要的新發電技術之一,也可能改變全世界使用能源的方式。
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