創科廣場|歐洲進軍激光核聚變技術 落後中美 盼可後發先至

2022-02-09 09:16

核聚變出現多項技術突破;去年底,中國安徽省合肥市中科院合肥物質科學研究院有「人造太陽」之稱的全超導托卡馬克(Tokamak)核聚變實驗裝置(EAST),實現長達1056秒長脈衝高參數等離子體運行,達成最長放電紀錄。

聚變出現多項技術突破;去年底,中國安徽省合肥市中科院合肥物質科學研究院有「人造太陽」之稱的全超導托卡馬克(Tokamak)核聚變實驗裝置(EAST),實現長達1056秒長脈衝高參數等離子體運行,達成最長放電紀錄。

上星期,歐洲多家工業集團投人核聚變;德國西門子能源、法國Thales、德國Trumpf工程集團等,與慕尼黑能源初創Marvel Fusion,合作開發激光核聚變,後者亦獲Earlybird基金領投3,500萬歐羅的A輪融資。

去年,開發核聚變除了美國和中國以外,韓國亦密鑼緊鼓;歐洲亦加人核聚變工業。全球致力碳中和,加上地緣政治緊張,能源被視為國家安全,核電又有安全隱憂,人類發現了核聚變不少優點,成為未來清潔能源最大寄望,頓時炙手可熱。

核聚變原料儲量極其豐富;幾乎是取之不竭,燃料是存於海水之中的氘和氚。氘和氚反應生成物是氦氣,既沒遺害深遠的核廢料;亦對環境無害。

而且一旦等離子體熄滅,聚變的反應自動終止,不再有連鎖反應,不會爆發類似日本福島的災難;而且足球場般大小的核聚變電站,已足供電給倫敦規模的城市。

實現核聚變反應困難重重

太陽的內部無時無刻不在發生核聚變,自古大自然和人類能量來源都是核聚變。有關核聚變的研究,始於上世紀的50年代,延綿超過半世紀;氫彈就是核聚變原理產生;不過可控制的核聚變,始終可望不可即。

最大困難在於實現核聚變反應,溫度要先達攝氏1億度以上,核聚變燃料完全電離,保證等離子體密度前提下,將高溫等離子體維持在相對足夠長時間以作發電,維持極高溫離子體作期運行;中國採用「磁約束」(Magnetic confinement )技術。EAST就是先注入氫原子,再以各種方法加熱,原子而產出等離子體,離子體引發核聚變反應,再用超導磁體加以壓縮維持。

國際間亦有合作核聚變的研究計畫,正於法國建造的「國際熱核聚變實驗反應堆」(International Thermonuclear Experimental Reactor)亦以磁約束的原理;中國是上述技術路綫領先者,現時正在構建真正的發電設施。

不過,磁約束只是其中一種技術。去年美國首次以激光核聚變;釋可出超量的能量;證明了激光也是核聚變產生能源的方法;激光核聚變(Laser nuclear fusion)是以高功率激光作為驅動器的慣性約束的核聚變。

全球最大激光雷射器「美國國家點火設施」(National Ignition Facility,NIF),一次核聚變實驗導引192束高能量激光,射向一小粒含有氫同位素氘和氚的氫燃料球,加熱至攝氏1億度引發了核聚變,產生1.3百萬焦耳(1.3 megajoules)能量。

上述成果令德國初創Marvel Fusion相信,數年內激光核聚變可達商用化;Marvel Fusion理論模型剛剛才透過電腦的模擬運算,去年一步步展開實驗活動加以驗證。激光核聚變成果,實際上是脫胎自 2018年獲諾貝爾獎的加拿大和法國科學家Donna Strickland及Gérard Mourou;兩人所發明了「啁啾脈衝放大」(Chirped pulse amplification,CPA)技術,結果成為超高峰值功率超短脈衝激光技術的里程碑,推動了超強超短激光研究,激光可以瞬間強度10的n次方倍增大,成為高強度激光的工業標準;CPA廣泛應用在能源要求極高工作,包括了產生核聚變。

磁約束仍為主流

CPA也解決了以往激光器超出極限光強度範圍以外,對激光器元件產生有害非綫性效應,影響光束質量,甚至損壞元件。CPA技術可利用傳統的激光放大器,同時不導致非綫性光學效應而破壞放大器。

不過,迄今磁約束技術仍是主流,去年就吸引逾23億美元投資。去年美國的Helion能源公司從Peter Thiel及OpenAI行政總裁Sam Altman等融資了5億美元,首座設施正在動工;另一家Commonwealth Fusion Systems則獲老虎環球管理基金和微軟創辦人Bill Gates注資,集資達20億美元,成為迄今核聚變最大私募投資。

從上述發展可見,磁約束技術仍較成熟,歐洲要彎道超車,真是談何容易。德國科學家相信,憑歐洲的領先激光技術;仍可急起直追,有望在核聚變突破,加上明年德國即將關閉餘下僅有的3座核電設施,德國又靠俄羅斯供應能源,烏克蘭局勢緊張;尋求替代能源;重新掌握能源主導權,已是刻不容緩。

問題在於激光核聚變,仍處於探索階段;甚至紙上談兵;參與的3家公司都是歐洲工業巨擘,興建激光核聚變,動輒涉及數以十億歐羅投資,美國NIF造價就高達35億美元;Marvel Fusion須多次籌集資金,甚至公帑才夠資金興建設備原型;歐洲的激光研究無疑有一流的人才;但應付核聚變龐大開銷;可能才是最大挑戰。

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