感到 #心冷？沒問題的，因為【太陽的心比你的心更「冷」！】#本日冷知識1540
　
蛤？
　
太陽的核心，可是堂堂的一千五百萬℃，區區三十六度半的人體怎能相提並論呢。彷彿聽到有這樣的異議。（讀者Ａ?!）
　
太陽核心是以核融合產能。在高壓高溫的太陽核心，每秒鐘就有大約六億噸的氫融合成氦原子核，但這過程中總質量減少了 0.74%，代入那個最有名的公式 E=mc^2 失去的質量一下子化成了能量溢出：高達每秒 3.8 萬兆兆焦耳.....若換算成一份一千大卡的炸雞腿便當，大約是每秒發 9.2 千萬兆份便當。
　
*以上因為數字實在太大，超乎了日常的數字概念，根本是毫無意義的換算 XD
　
其實，核融合反應實在是非常稀少，不但極不容易發生，在那巨大一鍋電離的熾熱氫氦電漿濃湯之中，只有微不足道比例的氫原子碰撞能完成融合。
　
換言之，一個反直覺的事實是太陽的「基礎代謝率」其實非常非常非常之低（標題「冷」的意思）。曾有物理學家言道，太陽和宇宙中的其他恆星居然能產生任何熱能，大概是最為近乎奇蹟的物理過程了 [相關軼聞=見留言區]。
　
在人體，基礎代謝率指的是完全不活動的休止狀態下人體消耗氧氣，燃燒醣類／脂質／蛋白質，最後釋放的熱量大小。若要比較人體和太陽，這兩個質性天差地別的東西，只能靠數學這可靠老法寶。
　
根據目前共識的物理模型，太陽的核心＝正中央，每立方公尺中每秒會產出 276.5 焦耳的能量，也就是 276.5 瓦／m³。太陽核心的溫度和壓力都是最大的，是核融合效率最高的地方，畢竟核融合的同義詞又叫做「熱核反應」嘛，熱到核都融了 XD
　
但......欸，太陽核心耶，產能的「密度」卻只有 276.5 瓦，用心感覺一下，這數字簡直低到不可思議。做為比較，一個約 60 公斤的肥宅什麼事都不做，光是躺著呼吸每秒就會散發約 80 焦耳的熱量。換算約一立方公尺 1300 瓦。贏了！約是太陽約四倍，遠勝。
　
純屬好玩，我再找一些數據作伙大車拼：說起最能把選手操到變超級賽亞人的職業運動，大概就是自由車。運動醫學已經建立了詳盡的測量自由車選手生理數據的方法——基本上就是請選手戴呼吸面罩騎車，測量氧氣的消耗量就可以換算出代謝率。跳結論，自由車手中的佼佼者，尖峰代謝率可以一舉提升至基礎值的 5 倍的 BUFF！整個人體超燃、爆出約 400 瓦的功率。達到了太陽核心的 20 倍。#東河馬之手
　
另外，與我們的直覺相反，人體最耗能的器官並不是肌肉......顯示為遙望館長之肩。肌肉只是可以占身體很大比例重，因此總體可以貢獻更大的產能而已。
　
論起每單位重的耗能，器官中的佼佼者其實是它 → 撲通撲通董茲董茲的心臟。還有幾乎與心臟打平的，竟是腎臟。它們倆都是滿腔熱血，也得必須泵／過濾處理超多熱血，非常之繁忙，因此自然是超級耗能密集。
　
來人啊！上數據。心臟啾竟四有多耗能？每單位重的心臟耗能是——身體耗能平均值的 18 倍！但只是因為心臟只小小一顆，貢獻的總量不多罷了。
　
腦子雖然也是高耗能，但其代謝倍率只有心臟的約一半，但人腦很大很重（通常而言啦），就貢獻了代謝的一大塊惹。總體來說大腦占了人體約兩成的代謝，心臟則占了 8%，和腎臟大致與心臟相等。
　
總之，以體積來算的話，各位讀者出社會太久而已經冰冷的心臟在「代謝率」也就是產熱方面，仍然比太陽的內心溫暖了 4×18 = 72 倍左右。要比心冷大家來比啊！喔喔。#北風與太陽的故事(X
　
太陽之所以能保持溫度上的超級灼熱，完全只是依賴太陽的體積和質量實在是難以想像的大，熱量匯聚加總起來超級無敵驚人罷了。也有相對表面積小，難以散熱的因素在內。胖子都怕熱的物理學。
　
如果本文這一堆怪奇數據能告訴我們一件事，那大約就是暗示說：原子核實在非常非常非常非常非常非常非常非常不樂意發生融合反應。君不見，即使是在太陽核心，那麼大的重力對氫原子輾壓擊打，卻都只會發生效率相對差勁、溫溫吞吞的核融合而已。
　
今天人類想在地球上創造一個電磁瓶子，裝下一團比太陽核心熱十倍以上的氘電漿（質量遠不夠太陽，用溫度彌補。此外氘也比氫容易融合，氚更容易但就是含量少）。並期待它們發生融合，實在是件１００億％超困難的事。
　
我就不特地提蜘蛛人２那成功輕易到幾乎可笑的核融合裝置了——它甚至還有「失控危險」咧——那麼方便的科技給我來一點啊魂淡。
　
FIN
　
by 科宅

參考資料《太陽科學：一千五百萬度的探索之旅》作者：葛琳 (2018) 貓頭鷹書房。

圖片 Frozen heart by ghoner (2006)
www. deviantart. com /ghoner/art/Frozen-heart-27396219

【核融合究竟快好了沒】
#ITER最新進度 #史上最大拼裝車
▋前行提要
核融合反應指兩個較輕的核種克服彼此之間的庫侖斥力、靠得足夠接近並融合成一顆新核種的過程。融合過程所損失的質量將轉換為龐大的能量(E=MC^2)。氘-氚核融合反應是核融合發電的最佳燃料，其無出其右的能量密度是極為理想的能量來源。數十年來，無數的研究人員和工程師都在探究如何駕馭這股能量。說說能源也曾經介紹過
https://reurl.cc/X69MG0

然而，要在地表上重現太陽內部的反應並非易事。地表上無法產生如太陽般的重力，科學家於是設計了一種能同時裝載燃料、外加強力磁場和升溫的裝置。這就是托卡馬克(Tokamak)，俄語"具有磁線圈的環形裝置"的縮寫。托卡馬克形狀從黎明期的甜甜圈設計，演變成蘋果般的環狀設計或是扭結型甜甜圈。前者代表是國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)，後者代表是德國的Wendelstein 7-X 仿星器(Stellarator)。

一個托卡馬克通常包含以下重要系統組件：真空容器(Vacuum Vessel)、容器內壁護甲(Blanket)、偏濾器(Divertor)、超導磁鐵(Magnets)、低溫恆溫器(Cryostat)和偵測器(Diagnostics)。磁拘束設計會確保氣態燃料激發至電漿態(俗稱點燃(ignition))時漂浮在容器內而不會物理性接觸到容器內壁。而如何以最小能量點燃、維持電漿形狀、輸出能量最大化，則是電漿物理研究的核心議題。儘管高溫電漿的輸出能量已經能大於點燃電漿的所需能量(輸入能量)，但達到實用化階段(輸出能量/輸入能量比例>=10)、且維持足夠長的時間仍是一個瓶頸。這個瓶頸即將由ITER突破。

ITER是個在國際核融合研究協議底下的巨型工程，建成後將會是世界上最大的磁約束電漿物理學實驗爐，爐子位於法國南部的卡達拉舍(Cadarache)附近。ITER的另一個工程目標是驗證大規模發電(無庸置疑的無碳排乾淨能源)的可行性。ITER預計製造超過攝氏10億度的氫電漿體，達成「輸出能量/輸入能量比例>=10」並產出約500 MW的核融合能量。

ITER將向世人證實核融合發電是個務實可行且非常安全的發電裝置，也會替未來世上的核融合電廠製造氚燃料。

▋ITER目前進度
2020年5月25日到27日三日間，約200名的工程團隊安裝了首個低溫恆溫器底座(cryostat base)(如附圖"The bottom cryostat")組件。這個低溫恆溫器底座--整個托卡馬克中單一最大也最重的組件--是底層構造的巨型金屬筒，將會承載反應爐其餘的零組件、諸如真空容器、巨型超導磁鐵和低溫恆溫系統，可說是ITER爐子的蓮花座。團隊會接著安裝低溫恆溫器的底部圓筒、來自南韓的真空容器組件、來自日本的環面磁線圈(toroidal field coils)和熱遮罩。建設團隊正戮力於讓主要組件於2021年底全數到位，以趕上2025年年底的完工期限。

然而就在2019年，COVID-19來襲。由於建造過程中、零組件必須在正確的時間送達施工現場，若強制中止將使佈及全球且數以百計的供應商和供應鏈分崩離析；故高層決定維持原建設步調，同時實施了一系列措施: 保持社交距離、洗手、戴口罩等。也讓約2000名白領員工改為遠端工作、現場員工數則從2500降為700名。

儘管如此，歐盟的真空容器組件的運送還是遭受了影響。機構長Bigot表示，目前每天最低開銷是一百萬歐元；他將於下個月和ITER委員會進行遠端視訊會議時就疫情相關事宜進行討論。屆時，他希望委員會會決定：追加預算以維持現步調，或是追加少一點的預算並展延一年。

▋技術困境
高能中子轟擊材料會導致材料劣化，這個特殊現象稱為輻射損傷。若輕水爐(沸水式)運行40年所產生的傷害是1,則商用核融合爐在整個服役週期內所產生的傷害將會是100左右。能抗輻射損傷、具低放射性、便宜又耐用的材料會是下一階段--DEMOnstration Power Station(DEMO,商用示範爐)--的主要挑戰。

ITER里程碑，來自於各個成員國家二三十年來的長期政策支持和各國科研人員的努力工作，ITER的所有技術果實自然也將由成員國間分享。儘管ITER計畫非我國國力能及，但是否該藉此反思一下，我國能源產業和科學研究是否存在任何十年期以上、且確切執行的長期政策呢？ 還是每四年畫個大餅後無疾而終呢？

▋參考資料
ITER官網
https://www.iter.org
Science 訪談報導主要聚焦近期COVID19影響
https://reurl.cc/oLq2RM

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下文為上方引用Science Insider訪談ITER計畫的報導翻譯節錄

▋疫情中的ITER
過去兩天，約200名的團隊小心翼翼地吊起冷卻基座(cryostat base)--相當於棒球內野大小、重如巨型檜木的大型鋼鐵圓盤--並放入托卡馬克底座。這個冷卻基座--整個托卡馬克中單一最大也最重的組件--是底層構造的巨型金屬環，將會承載反應爐其餘的零組件、諸如真空容器、巨型超導磁鐵和冷卻系統。建設團隊正戮力於讓主要組件於2021年底全數到位，以趕上2025年年底的完工期限。

ITER有好長一段時間僅止於人們心中的概念設計。ITER最初於80年代被提起，後於2007年在法國正式變成跨國計畫。參與成員包括中國、歐盟、印度、日本、南韓、俄羅斯及美國。該計畫原定於2016年完工，但時程表在2016年時由新任機構長官General Bernard Bigot延後至2025年末(並追加了預算)。

然而在2019年建設進度接近70%時，COVID-19瘟疫來襲。由於建造過程涉及佈及全球且數以百計的供應商；後者被要求將零組件在正確的時間送達施工現場，若強制中止後再開將讓一切分崩離析。是故，和世界其他角落的科研設施不同，上層決定維持原建設步調，約2000名白領員工改為在家遠端工作，而現場員工則從2500降為700名。

《文茜的世界周報》面對全球暖化溫室氣體排放量一直上升，科學家在擁核及反核中尋找核融合電廠第三條路

【核能源一直有著爭議性的歷史，但很多能源專家都說，核能對於全球能源及對抗暖化扮演重要的角色。法國能源科學家正努力以新科技讓核能源更安全、更便宜，也就是「核融合」。什麼是核融合？世界周報專題報導。如果我們能找到如何控制地表上核融合的動能，將可徹底改變全球能源供應。】

{內文}
一說起「核」這個字，你會想到什麼呢?

(耶魯大學氣候變遷傳播計畫主持人/Anthony Leiserowitz)
多數人一提起核子會先想到核戰，或是蕈狀雲，再加上一些大的核災事故，像是美國三哩島 俄國車諾比事件，還有比較近期的福島核災，這些事件使人們對核能科技的觀感發生了巨大且深遠的影響

1979年的美國賓州三哩島事件，部分爐心熔毀加上放射性物質外洩，最後耗費10億美元善後，三哩島事件挑起全球對核安的恐懼，此後美國修訂更嚴格的核能標準，核電廠造價翻升也幾乎沒有再建。

美國自1996年以來，僅在田納西建了一座新的核反應爐，1986年的車諾比事件以及2011年的福島核災，讓核能推動越發雪上加霜，人們非常害怕，長期的輻射對人類造成的影響。

(加州大學洛杉磯分校訪問學者/M. Sanjayan)
我想說的是，如果我家附近要蓋核電廠，我大概也會滿緊張的，然而身為一位環保人士，這讓我感到十分矛盾，因為核電廠不會排放二氧化碳，而二氧化碳正是全球暖化的元凶

(影集《Years of Living Dangerously》)
發現林火不再是乾季的專利，一年四季都可能發生

(美國加州大學柏克萊分校核子工程教授/Per Peterson)
當我們看著地球的極端氣候，我們應該要捫心自問，到底該如何解決氣候變遷的問題呢，如果摒棄核能不用，解決(氣候)問題將會困難許多

一些科學家開始跳脫框架思考，難道在擁核與反核之間，就沒有第三條路可走了嗎？其實不然。

當我們一講到核能發電，你大概會想到核分裂(nuclear fission) ，就是現在利用原子裂變產生能源，不過其實核能還有另一種型式，而且產生的能源更加驚人，各位觀眾，核融合(Fusion)

(托卡馬克能源物理學家/Melanie Windridge博士)
核融合被稱為是能源的「聖杯」

(托卡馬克能源物理學家Mikhail Gryaznevich博士)
我們每天都看到核融合在我們面前發生，因為太陽的能量就來自於核融合反應，只是我們要在地球複製太陽的核融合

核融合不是新的概念，早自1920年代起，科學家就不斷找尋實現核融合的方法，如果人類能夠造出一個「人造太陽」，地球上所有的能源問題都將不再是問題。美國CNBC電視台，製作長達22分鐘的核融合專題，帶領大家認識這個，既可以解決地球暖化，而且幾乎沒有殘餘輻射的未來能源希望。

核融合必備條件為極度高溫以及極度高壓，如此一來氫原子(氘 氚)才能融合在一起形成氦原子，在這個過程中原子會失去一些質量，轉化成為龐大能源，核融合反應產生的能源，是現行核分裂發電量的四倍，更是燃煤或天然氣發電量的將近400萬倍。

(General Fusion CTO Michael Delage)
換個具體的例子，也就是2磅的熔合燃料產生的能源，等同於5萬5000桶原油生的電

(勞倫斯利佛摩國家實驗室專案負責人/Mark Herrmann)
核融合發電也不會產生溫室氣體，核融合所需的燃料垂手可得，地球上每個角落都有，即使有輻射也是半衰期極短，而且不會熱失控就是那麼安全的系統

目前最接近核融合這個夢想的，是正在法國興建的ITER計劃。

國際核融合實驗反應爐計劃（ITER，International Thermonuclear Experimental Reactor），簡稱ITER，目的是建造目前世界上，規模最大的核融合反應爐。ITER的源起要追溯到35年前，在日內瓦的一場領袖高峰會，到現在 中國 歐盟 印度 日本 韓國 俄羅斯和美國都共同出資，建造這座地表最大，托卡馬克核融合反應爐。反應爐現在仍在興建中，一旦完工，將比現有最大托卡馬克反應爐大上兩倍，將可產生500百萬瓦的能量，火力發電則為50百萬瓦，ITER首階段目標並非產生能源，雖然計劃最終是希望能夠商轉。

(ITER電子迴旋部門負責人/Mark Henderson)
我估計ITER的托卡馬克核融合反應爐，將在2024年建成，目標是在2035年進行核融合實驗，大概在2040年，聽起來是很久以後的事，我們就能搜集到足夠的數據，以建造下一個世代的實驗爐

這是一個長遠的計劃，不過即使ITER計劃都如期進行，如何把這個裝置轉化成商轉的反應爐，目前還尚未可知。但是為了讓地球不在極端氣候中毀滅，同時確保全球能源穩定供應，挑戰核融合是值得的。

(ITER電子迴旋部門負責人/Mark Henderson)
目前ITER計劃耗資200億美元，如果把當年送阿姆斯壯登月的金額，換算成今日的價格大約是1200億美元，我們還差的遠呢

截至2019年為止，全球31個國家有450座核電廠在運轉中，在部分國家 例如法國 匈牙利 斯洛維尼亞和烏克蘭，全國有超過50%的電力來自於核能發電。現今核能發電約占全球總電量10%，單以低碳發電量來說 占比為29%，若光以美國的低碳發電 則占比為55%，中國大陸 印度和俄羅斯，仍在積極快速興建新核電廠，但是在美國，全國1/3因效能不佳，面臨提前退役的困境，氣候變遷運動人士說，這世界必須要減碳，善用我們手邊的資源趁現在還不算為時已晚。

(ITER電子迴旋部門負責人/Mark Henderson)
我們必須轉向核融合發電，轉向太陽能 風電，轉向地熱 轉向水力發電，我們必須盡全力擺脫排碳

(紐約大學新聞系教授/Charles Seife)
我認為實現核融合發電的快慢，取決於政治人物的一念之間，端看我們的政府願意花多少錢來資助

中國大陸自上世紀五十年代，就開始對核融合的研究。1999年正式立項，建造托卡馬克裝置，創造「人造太陽」。目前 大陸中科院等離子體所，自主發展了68項關鍵核心技術，建成了20個國際先進的平台和系統，創造了101.2秒穩態長脈衝，高約束等離子體運行的世界紀錄，在可控核融合領域，中國正在完成由跟跑 並跑到領跑的華麗轉身。

(大陸中科院等離子體所副所長/宋云濤)
我們夢想就是把這個任務，在2020年底要完成工程設計，同時我們要自主一些關鍵的大部件的研發，我們想到那個時候，我們能夠具備建造中國核融合工程反應爐，如果這個建成了將是世界上第一個

核融合研究通常由政府的實驗室主導，像是勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)，或是橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)，但是近年來 一些私人企業也加入戰局，包括加拿大的General Fusion，目標是在2030實現核融合發電。還有一些巨擎加入行列，像是亞馬遜創始人貝佐斯以及微軟創辦人比爾蓋茲，還有Paypal共同創辦人Peter Thiel，數十家企業都在追尋，找出煉製這個能源靈丹妙藥的終極之路。

(General Fusion創辦人/Michel Laberge)
地球上的能源市場，大約是一年一兆美元，只要我們能夠分個一小口，就能從一兆美元分到可觀的利潤

(ITER電子迴旋部門負責人/Mark Henderson)
如果你問我研究核融合最大挑戰在哪裡，我不會認為如何放火，燒出1億5000萬度高溫是挑戰，我認為最大的挑戰是我們的意志，核融合或許不會在我有生之年實現，但是我的孫兒輩或曾孫輩能夠成真

https://www.youtube.com/watch?v=iDOhtuLQ0jo