• 宇宙迷宮│「人造太陽」的誘惑 (李偉才)

  • 發布日期:2021-01-02 10:00
  • 宇宙迷宮│「人造太陽」的誘惑 (李偉才)

 

大家有聽過韓國的KSTAR嗎?別以為這是韓國流行音樂 K- pop中某個著名的跳唱巨星,它的全名是Korean Superconducting Tokamak Advanced Research 即「韓國超導性托卡馬克先進研究核聚變裝置」,簡稱「韓國太陽」。而世人(至少部分人)最近得聞大名,是因為它於2020年12月23日,令等離子體(plasma)在1億度這個超高溫下維持了20秒,創造了新的世界紀錄。

這個紀錄有什麼意義呢?原來,它是人類過去大半世紀致力實現「受控核聚變」(controlled nuclear fusion)中的一個里程碑。

那麼什麼是「受控核聚變」呢?這便要從「核反應」(nuclear reactions)說起。

大家應該知道物質乃由原子(atoms)所組成,而原子乃由原子核(nucleus)和環繞著它運行的電子(electron)從組成。我們一般熟悉的「化學反應」(chemical reactions)只是牽涉原子的外圍電子。人類要到十九世紀末二十世紀初,才知道在此之上,還有牽涉到原子核變化的「核子反應」(nuclear reactions)。

其中一種反應,是重原子(如鈾-235)的原子核在外來的高能粒子(如中子)猛烈撞擊下,會出現分裂而產生巨大的能量。這種「核裂變」(nuclear fission)的原理,產生了「原子彈」這種超級武器,也帶來了「核能發電」(nuclear power)。例子之一是離維港約50公里的大亞灣核電廠。

科學家很快便得悉,宇宙間還有另一種核反應,它便是令我們的太陽(以及宇宙間無數的恆星)發光發熱的「核聚變」(nuclear fusion)。在這種反應中,較輕的原子核(如氫核)聚合變成較重的原子核(如氦核,helium nucleus),從而釋放出比「核裂變」還要大得多的能量。正是基於這種原理,人類發明了比原子彈可怕近千倍的「氫彈」(hydrogen bomb)。

可惜的是,自第一個氫彈試爆(1952)至今的大半個世紀,人類仍然只能以毀滅性的方式將這些能量釋放。雖然以美國為首的近十個較先進的國家投入了無數的人力、物力、財力,以「受控核聚變」來發電至今仍是一個可望而不可即的理想。

既然「核裂變」已可發電,為什麼還要追求「核聚變」呢?主要的原因在於(1)前者的燃料「鈾-235」終會有用盡的一日,但後者所用的燃料是在地球上幾乎用之不歇的水;(2)「核裂變」發電會製造大量帶有高度輻射因此也極危險的核廢料,而「核聚變」發電則不會。

正正因為這樣,作為一種「用之不歇的清潔能源」的「受控核聚變」,成為了人類不懈地追求的目標。

但這個目標為何仍未實現呢?原來「核聚變」的出現,必須有極高的溫度和極大的壓力。太陽中心的2千7百萬度和3千4百億個大氣壓便提供了合適的環境,但要在地球上複製這樣的環境,真可謂難於登天!(氫彈的爆炸,是用了原子彈爆炸來當「藥引」的。)

處於如此高溫狀態的物質已不是普通氣體而是「等離子體」,而能夠「裝載」如此高溫物質的,便只有特殊設計的超強磁場。文首提到的「托卡馬克」正是一個這樣的設計。

至此,大家應該明白科學家為何對「韓國太陽」的成就如此興奮了吧。

李偉才

科普達人

圖片來源: Freepik
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