物理新知–受控熱核聚變
文﹕阮沛豪

紫外線下的太陽
圖一    紫外線下的太陽。太陽的能量來自它中心的熱核聚變 。
師:今天我們就談談熱核聚變。

(指著頭上的太陽)太陽那麼光那麼熱,究竟它每秒放射出多少能量?可以燒沸多少公升的水?它以什麼為燃料呢?

生:大概不會是用煤或石油吧!

師:以前有人計算過,如果太陽以這類化學能作燃料,只可以燃燒數千年。就算是靠引力塌縮,將引力位能轉變成熱能輻射出來,以現在的半徑和總光度來計算,太陽亦只得一億歲。

生:可是地球沒有那麼年青!

師:維持太陽的光和熱的,不是其他,正是我剛剛提到的熱核聚變。

生:若我們能操控這種核反應,那該多棒!

師:是的,我們待會便會討論科學家用什麼方法去嘗試操控核反應。

氦核子的質量虧損
圖二   一個氦原子核和兩顆質子、兩顆中子質量之和的比較。
 
師:我們先看看圖二。氦原子核內有兩顆質子和兩顆中子。一顆質子和一顆中子的質量分別是: 1.0072764au 和 1.086645au。算一算,氦原子核的質量該有:2x1.0072764 au + 2x1.086645 au = 4.03188 au。這 au 是標準原子量單位,1 au 相當於碳十二() 原子的質量除 12。但事實上,一個氦核的質量卻只有 4.001503 au。這種現象叫做質量虧損 (mass deficiency)。每種原子核都有不同程度的質量虧損。

師:從狹義相對論,我們知道質量和能量是可以互換的。因此你們可以想像,如果要把原子堛漁痐l (nucleon) - 即質子 (proton) 和中子 (neutron) 強行「拉開」,我們必須要給它能量才行。這種能量稱為原子核聚合能 (binding energy of the nucleus)。

生:反過來說,如果這些核子從散開的狀態聚合在一起,形成一個穩定的原子核,聚合能便會釋放出來!

師:對了,而且這種核反應所釋放出的能量還大得驚人!例如由一個碳原子和兩個氧原子結合成二氧化碳的化學作用,大約可放出的能量。但每四個氫核子 () 結合成一個氦核 () 的核反應可放出 的能量,大約是結合二氧化碳化學能量的 67 萬倍!事實上,我們的太陽就是以這個核反應產生能量的。

生:以上這種核反應便是熱核聚變嗎?

師:是的,上面提及的核反應是核聚變的一種,它以一些輕的元素結合成較重的元素,所以叫聚變。而這樣的反應只有在高溫下才能進行,所以叫熱核聚變 (thermonuclear fusion)。

生:你說的高溫,究竟有多高?

師:讓我們作一個簡單的估計:我們需要考慮兩種力:核力 (nuclear force) 和電磁力。在原子尺度 (約) 下,兩個質子之間的核力是微不足道的,反而兩個正電荷之間的庫倫斥力 (Coulomb repulsion) 會使它們彼此排斥,而且斥力與距離的平方成反比:即距離每減半,斥力就增加四倍,只有當兩個質子的距離接近至核子的尺度時 (約),它們之間的核力才會顯現出來,從而有機會產生核反應。但是,質子必須要有足夠的動能來穿越它們之間的強大庫倫斥力才可以彼此靠近,因此需要極高的溫度。在考慮量子穿隧道效應後,科學家得出這種聚變發生的最低溫度,約是(一千萬度)。

生:要產生這樣的高溫真令人頭痛。而且,找什麼東西來盛載這些高溫的原料呢?

師:這個問題我們往後再談。另一個更嚴重的問題是,上面這個核反應的效率十分之低,應用起來並不實際,所以現代的核聚變反應堆,多使用氫的同位素氘 (: Deuterium) 和氚 (: Tritium) 作核反應的原料。

生:是不是只要有足夠的溫度及反應效率,熱核反應便可順利進行呢?

師:實際上,除了要讓熱核聚變的等離子體保持高溫外,還要注意等離子體的散失及輻射能量損失;同時,我們還要適當控制等離子體的密度,密度太低,則聚變功率低,密度太高則輻射損失的功率高。如果以上各樣條件都合適,讓核反應能持續下去,我們便稱這狀態為聚變點火或熱核點火。為了達至點火條件,科學家試驗了各式不同的「反應爐」,下次我們便會看看這些反應裝置是怎麼樣的,有什麼特殊之處,並簡單說明它們的操作原理。

參考書目:

  1. 李銀安《受控熱核聚變》,湖南教育出版社


  2. Robert Eisberg and Robert Resnick, Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles, 2nd Edition. John Wiley & Sons


  3. Richard Bowers & Terry Deeming, Astrophysics I – Stars, Jones and Bartlett Publishers