如何將發出的能量轉換成電力也是挑戰

談到核能,目前主要是指核分裂為主,許多人對於未來能源,寄望的是核融合,只是核融合遲遲未能商業運作,如今德國創業公司比鄰融合(Proxima Fusions)發出豪語,訂下目標要在2031年激活測試反應爐,賣出商用運轉的第一步,希望在2030年代能正式商用運轉。
核分裂反應要用來發電,有諸多缺點,主要是核分裂後的分裂產物還是有高放射性,這部分能量卻無法使用,反而成為尾大不掉的高能核廢,核融合則沒有這樣的問題,融合後的產物是無害的氦,因此被視為是真正的潔淨能源。
只不過,過去核融合一直是「未來能源」,因為要達到讓氫能融合需要巨大能量,很長的一段時間,產生的能源,都少於輸入的能源,後續才有實驗團隊逐漸在短時間內輸入大於輸出。
初期核融合的主要反應爐形式為環磁機(Tokamak),顧名思義結構就是一個環形,打造設計上雖然相對容易但是控制上卻相當困難。另一種核融合反應爐的想法是仿星器(Stellarator),名稱來自模擬恆星內部持續不斷的核融合反應,仿星器的磁面像一條不斷曲折的帶子,線圈繞著帶子的形狀,打造上遠比環磁機複雜困難,但是操作上比較容易。
比鄰融合的原型機設計來自於普朗克學會(Max Planck Institute)研究電漿物理學,取得6,500萬美元資金,其中包括德國政府的資助,採用仿星器的路線,使用高溫超導體,開發准等磁(quasi-isodynamic,QI)仿星器,在實際打造之前,打算先用機器學習與電腦模擬測試,模擬出最佳的結構後再實際打造。預計於2031年打造出測試反應爐,預計打造預算為10億歐元。
美國自麻省理工學院創業的聯邦融合系統(Commonwealth Fusion Systems)則採用環磁機,也是計劃於2030年代打造出商用核融合發電,預計建廠於維吉尼亞州,聯邦融合系統已經募集資金20億美元,但是目前反應爐還正在興建,別說完成電漿生成,或是達到輸出大於輸出,至於該如何把核融合能量轉換為電力,也還沒有設想完成。
歐盟主導,印、日、中、俄、美、韓加入的國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)計劃,也採用環磁機,已經嚴重落後進度,何時能有成果遙遙無期。
其他核融合創業公司還有法國Alcen、德國Bruker、RI研究儀器、義大利ASG超導體、西班牙IDOM共同創立的高斯融合(Gauss Fusion)公司,也是採用仿星器反應爐,5家公司投資800萬歐元,德國政府則補助900萬歐元成立,預計2040年興建核融合發電廠,估計預算180億歐元。
驚奇融合(Marvel Fusion)則採用雷射技術,走慣性局限融合(inertial confinement fusion)路線,也就是並不打造電漿空間,而是把氘、氚混合燃料以金屬外殼緊緊包覆在小空間中,此金屬外殼稱為環空器(Hohlraum),用雷射聚焦在環空器上加熱,使環空器向內部的燃料輻射X射線間接加熱,以完成核融合反應,採用間接加熱的原因是,比起直接加熱,環空器間接加熱的方式更均勻對稱。
驚奇融合與美國科羅拉多州大學合作創建示範反應爐,預計2027年初激活,驚奇融合於2024年9月B輪募集資金6,280萬英鎊,另外取得歐盟創新委員會250萬英鎊補貼,以及最多1,500萬英鎊投資,預計原型機於2032-2033年完成。
如果上述計劃都能順利,仿星器、環磁機、雷射引爆,到底哪個技術才是核融合的「真命天子」?或許2030年代就會揭曉,若又是不斷延期、追加預算,那恐怕就只能停留在「未來能源」,但下一步是:如何將發出的能量轉換成電力,這也是重大挑戰。
(首圖來源:Proxima Fusions)