※ 本文為 layzer 轉寄自 ptt.cc 更新時間: 2013-10-11 08:37:05
看板 Gossiping
作者 標題 Re: [爆卦] 美國成功在實驗室通過核融合反應
時間 Wed Oct 9 01:53:02 2013
※ 引述《Alucard (守夜人)》之銘言：
: 美國研究人員成功在實驗室進行核融合實驗，這是人類史上首次實現「受控制的核融合反
: 應」，此外產生的能量大於點燃反應所需輸入的能量，是科學界重要的里程碑，因為如果
: 科學家能駕馭核融合，將能取得安全、乾淨而且幾乎用之不竭的能源。
: http://ppt.cc/ivvn
這一段寫的很奇怪，可受控制的核融合早就己經出現很多年了
目前最長反應時間是360秒
而且輸出也早就大於輸入了，只是輸出的還不夠多，還沒到商業價值
(例如建廠要一百億，你每年發電扣完成本賺的錢只有一萬塊
這種不要幾萬年才能回收成本的東西沒人會想建的)
猜測可能是中文少翻一堆東西
還有一點核融合還是會造成核廢料的，原因在於過程中產生的中子
會撞擊反應爐，久了之後會讓反應爐建材帶有放射性
只是這放射性半衰期很短，十幾年左右
下面這部份是從大陸一個ID叫"電網"的作者寫的文轉過來的，部份內容有講到
中國的EAST我就砍掉了，順便把一些用詞換成台灣用詞
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1939年，美國物理學家貝特通過實驗證實，把一個氘原子核用加速器加速
後和一個氚原子核以極高的速度碰撞，兩個原子核發生了融合，形成一個
新的原子核——氦外加一個自由中子，在這個過程中釋放出了17.6兆電子
伏的能量。這就是太陽持續45億年發光發熱的原理。早在1933年，核融合
的原理就被提出，而5年後，改變世界格局的核分裂才被發現。
後和一個氚原子核以極高的速度碰撞，兩個原子核發生了融合，形成一個
新的原子核——氦外加一個自由中子，在這個過程中釋放出了17.6兆電子
伏的能量。這就是太陽持續45億年發光發熱的原理。早在1933年，核融合
的原理就被提出，而5年後，改變世界格局的核分裂才被發現。
核融合反應堆的原理很簡單，很好理解，只不過實現起來對於當時的人類
技術水準，幾乎是不可能的。
第一步，作為反應體的混合氣必須被加熱到電漿狀態——也就是溫度足夠
高到使得電子能脫離原子核的束縛，原子核能自由運動，這時才可能使得
原子核發生直接接觸，這個時候，需要大約10萬攝氏度的溫度。
高到使得電子能脫離原子核的束縛，原子核能自由運動，這時才可能使得
原子核發生直接接觸，這個時候，需要大約10萬攝氏度的溫度。
第二步，為了克服庫倫力，也就是同樣帶正電子的原子核之間的斥力，原
子核需要以極快的速度運行，得到這個速度，最簡單的方法就是"繼續加溫"
使得布朗運動達到一個瘋狂的水準，要使原子核達到這種運行狀態，需要
上億攝氏度的溫度。
氚的原子核和氘的原子核以極大的速度，發生碰撞，產生了新的氦核和新
的中子，釋放出巨大的能量。經過一段時間，反應體已經不需要外來能源
的中子，釋放出巨大的能量。經過一段時間，反應體已經不需要外來能源
的加熱，核融合的溫度足夠使得原子核繼續發生聚變。這個過程只要氦原子核
和中子被及時排除，新的氚和氘的混合氣被輸入到反應體，核融合就能持
續下去，產生的能量一小部分留在反應體內，維持連鎖反應，大部分可以
輸出，作為能源來使用。
續下去，產生的能量一小部分留在反應體內，維持連鎖反應，大部分可以
輸出，作為能源來使用。
看起來很簡單，但有一個問題，你把這個高達上億攝氏度的反應體放在哪
裏？迄今為止，人類還沒有造出任何能承受1萬攝氏度的化學結構，更不要
說上億攝氏度了。這就是為什麼氫彈已經製造了50年後，人類還沒能有效
的從核融合中獲取能量的唯一原因。
裏？迄今為止，人類還沒有造出任何能承受1萬攝氏度的化學結構，更不要
說上億攝氏度了。這就是為什麼氫彈已經製造了50年後，人類還沒能有效
的從核融合中獲取能量的唯一原因。
好了，人類是很聰明的，不能用化學結構的方法解決問題，我們就用物理
的試驗一下。早在50年前，兩種約束高溫反應體的理論就產生了，分別是
慣性約束和磁力約束。
的試驗一下。早在50年前，兩種約束高溫反應體的理論就產生了，分別是
慣性約束和磁力約束。
慣性約束是把幾毫克的氘和氚的混合氣體裝入直徑約幾公厘的小球內，然
後從外面均勻射入雷射，球面內層因而向內擠壓。球內氣體受到擠壓，壓
力升高，溫度也急劇升高，當溫度達到需要的點火溫度時，球內氣體發生
爆炸，產生大量熱能。這樣的爆炸每秒鐘發生三四次，並持續不斷地進行
下去，釋放出的能量就可以達到百萬千瓦級。
後從外面均勻射入雷射，球面內層因而向內擠壓。球內氣體受到擠壓，壓
力升高，溫度也急劇升高，當溫度達到需要的點火溫度時，球內氣體發生
爆炸，產生大量熱能。這樣的爆炸每秒鐘發生三四次，並持續不斷地進行
下去，釋放出的能量就可以達到百萬千瓦級。
另一種就是磁力約束，由於原子核是帶正電的，那麼我的磁場只要足夠強
大，你就跑不出去，我建立一個環形的磁場，那麼你就只能沿著磁力線的
方向，沿著螺旋形運動，跑不出我的範圍，而在環形磁場之外的一點距離
，我可以建立一個大型的換熱裝置（此時反應體的能量只能以熱輻射的方
式傳到換熱體），然後再使用人類已經很熟悉的方法，把熱能轉換成電能
就是了。蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫提出的這種方法相對於慣性約束，目
前世界受控核融合研究，主要集中在這個領域上。
大，你就跑不出去，我建立一個環形的磁場，那麼你就只能沿著磁力線的
方向，沿著螺旋形運動，跑不出我的範圍，而在環形磁場之外的一點距離
，我可以建立一個大型的換熱裝置（此時反應體的能量只能以熱輻射的方
式傳到換熱體），然後再使用人類已經很熟悉的方法，把熱能轉換成電能
就是了。蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫提出的這種方法相對於慣性約束，目
前世界受控核融合研究，主要集中在這個領域上。
托克馬克
實現磁力約束，需要一個能產生足夠強的環形磁場的裝置，這種裝置就被稱
作"托克馬克裝置"(TOKAMAK，也就是俄語中是由"環形"、"真空"、"磁"、"線圈"
的字頭組成的縮寫)，早在1954年，在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所就建造
了世界上第一個托克馬克裝置。
要想能夠投入實際使用，必須使得輸入裝置的能量遠遠小於輸出的能量才行
我們稱作能量增益因子——Q值。當時的托克馬克裝置是個很不穩定的東西，
搞了十幾年，也沒有得到能量輸出，直到1970年，前蘇聯才在改進了很多次
的托克馬克裝置上第一次獲得了實際的能量輸出，不過要用當時最高級設備
才能測出來，Q值大約是10億分之一。
我們稱作能量增益因子——Q值。當時的托克馬克裝置是個很不穩定的東西，
搞了十幾年，也沒有得到能量輸出，直到1970年，前蘇聯才在改進了很多次
的托克馬克裝置上第一次獲得了實際的能量輸出，不過要用當時最高級設備
才能測出來，Q值大約是10億分之一。
別小看這個十億分之一，這使得全世界看到了希望，於是全世界都在這種激勵
下紛紛建設起自己的大型托克馬克裝置，歐洲建設了JET，蘇聯建設了T20(後來
縮水成了T15，線圈小了，但是上了超導)，日本的JT-60和美國的TFTR（托克馬
克核融合實驗反應器的縮寫）。
下紛紛建設起自己的大型托克馬克裝置，歐洲建設了JET，蘇聯建設了T20(後來
縮水成了T15，線圈小了，但是上了超導)，日本的JT-60和美國的TFTR（托克馬
克核融合實驗反應器的縮寫）。
這些托克馬克裝置一次次把能量增益因子（Q）值的紀錄刷新，1991年歐洲的
JET實現了核融合史上第一次氘－氚運行實驗，使用6：1的氘氚混合燃料
，可控核融合反應持續了2秒鐘，獲得了0.17萬千瓦輸出功率，Q值達0.12。
1993年，美國在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，兩次實驗釋放的聚變能分
別為0.3萬千瓦和0.56萬千瓦，Q值達到了0.28。
1997年9月，歐洲的JET創1.29萬千瓦的世界紀錄，Q值達0.60，持續了2秒。
僅過了39天，輸出功率又提高到1.61萬千瓦， Q值達到0.65。
三個月以後，日本的JT－60上成功進行了氘－氘反應實驗，換算到氘－氚反應
，Q值可以達到1。後來，Q值又超過了1.25。這是第一次Q值大於1，盡管氘-氘
，Q值可以達到1。後來，Q值又超過了1.25。這是第一次Q值大於1，盡管氘-氘
反應是不能實用的（這個後面再說），但是托克馬克理論上可以真正產生能量了。
"超脫卡馬克"裝置
什麼是"超脫卡馬克裝置"呢？回過頭來說，托克馬克裝置的核心就是磁場，
要產生磁場就要用線圈，就要通電，有線圈就有導線，有導線就有電阻。托克馬克
裝置越接近實用就要越強的磁場，就要給導線通過越大的電流，這個時候，
導線裏的電阻就出現了，電阻使得線圈的效率降低，同時限制通過大的電流，
不能產生足夠的磁場。托克馬克貌似走到了盡頭。
幸好，超導技術的發展使得托克馬克峰回路轉，只要把線圈做成超導體，理論
上就可以解決大電流和損耗的問題，於是，使用超導線圈的托克馬克裝置就誕
上就可以解決大電流和損耗的問題，於是，使用超導線圈的托克馬克裝置就誕
生了，這就是超脫卡馬克。目前為止，世界上有4個國家有各自的大型超脫卡馬克
裝置，法國的Tore－Supra，俄羅斯的T-15，日本的JT-60U，和中國的EAST。
混合燃料和燃料的來源
核融合的消耗的燃料是世界上十分常見的東西——氘，也就是重氫。新的問題出
現了，僅僅有氘還是不夠的，盡管氘-氘反應也是氫核融合的主要形式，但我們人
類現有條件下，根本無法控制氘-氘反應，它太猛烈了，所需要的溫度要高得多，
除了在實驗室條件下一次性的實驗外，很難讓它連鎖反應下去——那是氫彈一樣
現了，僅僅有氘還是不夠的，盡管氘-氘反應也是氫核融合的主要形式，但我們人
類現有條件下，根本無法控制氘-氘反應，它太猛烈了，所需要的溫度要高得多，
除了在實驗室條件下一次性的實驗外，很難讓它連鎖反應下去——那是氫彈一樣
的威力。還好，人們發現了氘-氚反應的烈度要小很多，它的反應速度僅僅是氘-氘
反應的100分之一，而點火溫度反倒低得多，很適合人類現有條件下的利用。
一個問題接著一個問題，氚不同於氘，在地球上幾乎沒有，現在人類的氚都是人工
制造而非天然提取的，人們通常是用重水反應堆在發電之餘人工製造少量的氚
它是地球上最貴的東西之一，一克氚價值超過30萬美元。這麼貴的原料，顯然是無
法接受的，幸好上帝給人類又提供了一種好東西——鋰，鋰的2種同位素在被中子
轟擊之後，就會分裂，他們的產物都是氚和氦，目前為止人類在重水堆中制造氚
，用的就是將鋰靶件植入反應堆的方法。
法接受的，幸好上帝給人類又提供了一種好東西——鋰，鋰的2種同位素在被中子
轟擊之後，就會分裂，他們的產物都是氚和氦，目前為止人類在重水堆中制造氚
，用的就是將鋰靶件植入反應堆的方法。
回核融合上，氚和氘反應後，除了形成一個氦原子核之外，還有一個多餘的中子，
並且能量很高。好了，我們只需要在核融合的反應體之內保持一定比例的鋰原子核
濃度，那麼核融合產生的中子就會轟擊鋰核，促使鋰核分裂，產生一個新的氚，這
個氚則繼續參與氚-氘反應，繼而產生新的中子，鏈式反應形成了。所以，理論上
我們只需要給反映體提供兩種原料——氘和鋰，就能實現氘-氚反應，並且維持它
的進行。
並且能量很高。好了，我們只需要在核融合的反應體之內保持一定比例的鋰原子核
濃度，那麼核融合產生的中子就會轟擊鋰核，促使鋰核分裂，產生一個新的氚，這
個氚則繼續參與氚-氘反應，繼而產生新的中子，鏈式反應形成了。所以，理論上
我們只需要給反映體提供兩種原料——氘和鋰，就能實現氘-氚反應，並且維持它
的進行。
這兩種原料還是比較容易取得的，氘在海水中的含量還是比較高的，我們只需要通
過精餾法取得重水，然後再電解重水就能得到氘。而鋰的資源總量雖然不如氘多，
但是更容易取得一些，一方面海水中就包含足夠的氯化鋰，分離出來即可。另一方
面，碳酸鋰礦也不是稀有資源，更容易獲得。
過精餾法取得重水，然後再電解重水就能得到氘。而鋰的資源總量雖然不如氘多，
但是更容易取得一些，一方面海水中就包含足夠的氯化鋰，分離出來即可。另一方
面，碳酸鋰礦也不是稀有資源，更容易獲得。
ITER
說到超托卡馬克，必須提到，2005年正式確定的國際合作項目ITER，也就是國際熱核
實驗反應堆的縮寫，這個項目從1985年開始，由蘇聯、美國、日本和歐共體提出，
目的是建立第一個試驗用的聚變反應堆。註意，ITER已經不是托克馬克裝置了，
而是試驗反應堆，這是一大進步。最初方案是2010年建成一個實驗堆，
實現1500兆瓦功率輸出，造價100億美元。
沒想到因為各國想法不同，蘇聯解體，加上技術手段的限制，一直到了2000年也沒
有結果，其間美國幹脆拍屁股走人——不幹了，ITER陷入了胎死腹中的危險。
直到2003年，能源危機加劇，各國又重視起來，首先是中國宣布加入了ITER計劃，
歐洲、日本和俄羅斯自然很高興。沒幾天美國也宣布重返計劃。緊接著，有點銀子
又有點基礎的韓國和印度也湊了進來，ITER紅紅火火，重張大吉。
歐洲、日本和俄羅斯自然很高興。沒幾天美國也宣布重返計劃。緊接著，有點銀子
又有點基礎的韓國和印度也湊了進來，ITER紅紅火火，重張大吉。
2005年ITER正式開始，地點在法國的卡達拉申，基本設計不變，力爭2015年前全面
完成，造價120億美元，歐盟出40%，法、中、日、美各出10%，剩下的想讓別人平攤
，韓國印度不幹，力爭讓俄國也出10%，自己出5%。
完成，造價120億美元，歐盟出40%，法、中、日、美各出10%，剩下的想讓別人平攤
，韓國印度不幹，力爭讓俄國也出10%，自己出5%。
ITER湊巧是拉丁語"道路"，可見大家對這個東西抱有多大的希望。很有可能，她
就是人類解決能源問題的"道路"。如果ITER能成功，下一步就是利用ITER的技術
就是人類解決能源問題的"道路"。如果ITER能成功，下一步就是利用ITER的技術
，設計和建造示範商用堆，到那時，離真正的商業核融合發電就不遠了。但是ITER
建設中，還有大量的技術問題需要解決，需要有一個原型可以參考，在此基礎上，
各國的先進超托卡馬克裝置就成了設計ITER的藍本。
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順便一提相較於ITER利用磁力約束的托克馬克裝置
美國的NIF用的是慣性約束原理，NIF的技術難度遠較托克馬克裝置高非常多
NIF是用96門雷射發射器，在幾十億分之一秒的誤差內射向一個幾公厘大小
NIF是用96門雷射發射器，在幾十億分之一秒的誤差內射向一個幾公厘大小
的膠囊，雷射總能量達到1.8兆焦耳，技術難度最大的地方是雷射功率，相關原
理在1980年代就已經有了，但當時的雷射技術還沒辦法提供這麼大的能量
現在NIF用的雷射功率已經是全界最強的
順便提一下目前用托克馬克裝置，產生的核融合反應，最長時間是360秒
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◆ From: 36.224.253.204
※ 編輯: a1e 來自: 36.224.253.204 (10/09 01:55)
推 :我覺得產物可能較核分裂產物穩定1F 10/09 01:56
→ :雖然只是感覺，我也說不太出很明確的理論
→ :雖然只是感覺，我也說不太出很明確的理論
→ :有核的都不是好東西3F 10/09 01:57
→ :例如太陽嗎4F 10/09 01:57
推 :太陽當然可惡 有核有輻射又有電磁波 真不該放在天上5F 10/09 01:58
→ :連這都要反串很無聊6F 10/09 01:58
→ :想問現在反應爐的建材是什麼？
→ :想問現在反應爐的建材是什麼？
推 :ITER真的進展好慢 弄到今天都還在建造中8F 10/09 01:59
錢錢關係，大家也心懷鬼胎，沒看投資的國家每個國內都有反應爐※ 編輯: a1e 來自: 36.224.253.204 (10/09 02:00)
→ :有不鏽鋼還有各種耐中子的材料等等東西9F 10/09 02:01
印像中還在試材料不是？還是有有最佳材料出來了？推 :記者是文組的 而且多半是世新這種學校出來的 不意外10F 10/09 02:02
※ 編輯: a1e 來自: 36.224.253.204 (10/09 02:03)→ :材料這也是研究項目吧 像是邊讓材料被中子照射邊產生11F 10/09 02:05
→ :氚之類的
→ :氚之類的
→ :會產生輻射是因為多餘的中子，會產生多餘的中子是因為用13F 10/09 02:07
→ :氘和氚下去撞，如果可以用兩個氫原子融合那就OK了啊
→ :氘和氚下去撞，如果可以用兩個氫原子融合那就OK了啊
推 :好文，文組野能懂15F 10/09 02:09
→ :那個難度比較高 氘-氚 在技術上比較容易的樣子16F 10/09 02:09
推 :不過才120億...美國自己就玩得起了吧..中國應該也行17F 10/09 02:10
你想的到的國家都有在玩，中國建的是EAST※ 編輯: a1e 來自: 36.224.253.204 (10/09 02:15)
推 :核分裂不也是原子彈等級嗎 應該溫度也很高吧 怎克服的18F 10/09 02:17
推 :超導體不是要在低溫下才能運作嗎?19F 10/09 02:17
推 :核分裂可以用碳棒控制反應速率 且零界溫度低20F 10/09 02:17
→ :核融合門檻溫度就是核爆等級的高溫了
→ :核融合門檻溫度就是核爆等級的高溫了
推 :那不能像氫彈一樣用原子彈去點燃嗎///22F 10/09 02:19
推 :專業推23F 10/09 02:19
→ :這種溫度就像失控的反應推 關不住 看看福島那個樣子24F 10/09 02:20
→ :核融合 = 養一顆小太陽
→ :溫度一直都是最大的瓶頸 既不好點 又不好固
→ :核融合 = 養一顆小太陽
→ :溫度一直都是最大的瓶頸 既不好點 又不好固
推 :輸出並沒有大於輸入過。你可能誤以為Q>1就是ignition了27F 10/09 02:43
推 :推 我竟然看完了!!28F 10/09 02:49
推 :推 也好奇膠囊材質是甚麼?29F 10/09 03:19
推 :一般的金屬吧 反正就是要包覆即將成為電漿的材質30F 10/09 03:26
推 :長知識 推易懂好文31F 10/09 03:36
推 :金小氘32F 10/09 04:23
推 :路過推 這看起來就是非常高級的玩具...33F 10/09 04:42
推 :好文推一個34F 10/09 04:44
推 :很容易吸收的好文 謝謝35F 10/09 05:51
→ :推36F 10/09 05:59
推 :被課本騙了哈哈37F 10/09 09:12
推 :38F 10/09 10:50
推 :專業推39F 10/09 11:23
推 :物理人來推一個40F 10/09 12:20
推 :41F 10/09 12:26
推 :不是錢的問題,而是技術上無法實現,核融合成功=無限的錢收入42F 10/09 14:09
→ :bbc寫的是 self-sustaining nuclear fusion，超屌43F 10/09 17:00
推 :專業 該高調44F 10/09 19:10
推 :想知道慣性約束原理的小球是怎麼固定在原地的45F 10/09 20:56
推 :專業好文~46F 10/09 21:52
推 :長知識推47F 10/10 01:39
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