【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。

可供參考

[又到311核災週年，節目休息，就多寫幾隻字] 早前又有十來歲年輕人家中自製核聚變反應，當然有趣。現實上核聚變能源勢將為能源問題帶來革命性改變，值得人們留意。事實上Amazon同微軟都大舉押注這種新能源，保守估計四五十年後，先進國家都會用上核聚變，石油變得沒有那麼舉足輕重。

可是現時媒體報導有關世界各國研究核聚變能源的進展時，訊息混亂非常，到底邊國領先，邊個數字有意義，搞到我都忍唔住經常要睇返原始技術資料。以下就簡單點列幾個了解核聚變消息的基本門路。

1. 核聚變就係模仿太陽發熱發光的方式去產生能源，需要好很大力將啲帶正電又會互相排斥的氫同位數原子核夾硬壓埋一齊。

2. 唔同大亞灣福島那些核電廠，嗰啲用鈾分裂發電的過程污糟好多，由原材料到廢料都成日要搵無人區存放。核聚變的氫原料可來自水，無輻射，出來的廢料都無輻射。

3. 核聚變需要極極極高溫度點着，太陽自己就要一千五百萬度，我地地面自製，要預鬆啲才可提升效能，一搬有自行研發核聚變鍋爐的國家，都要開爐煲到五千萬度到二億度不等。

4. 溫度概念都要分清，電子比原子核離子輕，容易煲滾，電子煲到一億度時，離子可能只有三四千萬度，中外好多報導就將電子溫度同離子溫度搞亂晒。切記，講離子溫度先有意義。上面第3點，同下面講既，都係離子溫度。

5. 離子煲上一億度就係夠叻，識得煲熱多兩三倍當然更叻，但過三億度就反而降低效能壞左件事。上一億度之後接住就係睇hold唔hold得住，就好似玩舉重咁。我列舉一些現時紀錄數字：
德國Stellarator 7X: 2015年離子溫度一億度，0.25秒。2018年6月，五千萬度，>100秒。
韓國K-Star: 2019年2月，一億度，1.5秒。
中國EAST: 2015年，五千萬度，100秒。2018年11月，五千萬度，100秒。

6. Hold住煲咁熱既離子湯當然難，要用電磁場甚至輔助噴射束，凌空浮住。
睇返數字，以為中國無進步？唔係，佢地一路準備緊將煲熱湯拎去產生核聚變，所以一路試緊用更複雜的模式去控制緊煲離子湯。韓國情況一樣，但未追上中國。

7. 德國呢？德國的Stellarator鍋爐，與其他國家的Tokamak的形狀又有啲唔同。睇牌面以為中國同佢差唔多，但其實人地已上到另一層次，就是去年已經試過將煲離子湯拎去撞，大量產生核聚變，過程歷時0.2秒。

8. 煲得夠熱，Hold得夠穩夠耐，落鑊撞出過聚變能源... 之後仲要比較乜嘢？至少還有效能 - 聚變產生的能量是否多過輸入？目前紀錄保持者是英國1997年EuroJET的69%，輸出能量只及輸入的69%的意思，蝕。

9. 在法國的世界聯合ITER計劃緊一個2025年運行的聚變鍋爐：一億五千萬度，會有離子對撞產生聚變，目標係輸出大過輸入10倍。如果成功，在輸入功率為50MW的情況下，輸出有500MW以上，就已經是一個有實際用途的發電廠。晌而家無任何國家做到輸出大於輸入的情況下，目標都好遠大。
中國方面，開始嘗試離子對撞產生核聚變，相信會好快出現。

10. 當然，真正專家睇到呢篇嘢，又會覺得我仲有好多缺漏，隔熱材料問題，離子體穩定問題，部件耐用問題，仲未有功力去一一比較，歡迎賜正補充。

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可是現時媒體報導有關世界各國研究核聚變能源的進展時，訊息混亂非常，到底邊國領先，邊個數字有意義，搞到我都忍唔住經常要睇返原始技術資料。以下就簡單點列幾個了解核聚變消息的基本門路。

1. 核聚變就係模仿太陽發熱發光的方式去產生能源，需要好很大力將啲帶正電又會互相排斥的氫同位數原子核夾硬壓埋一齊。

2. 唔同大亞灣福島那些核電廠，嗰啲用鈾分裂發電的過程污糟好多，由原材料到廢料都成日要搵無人區存放。核聚變的氫原料可來自水，無輻射，出來的廢料都無輻射。

3. 核聚變需要極極極高溫度點着，太陽自己就要一千五百萬度，我地地面自製，要預鬆啲才可提升效能，一搬有自行研發核聚變鍋爐的國家，都要開爐煲到五千萬度到二億度不等。

4. 溫度概念都要分清，電子比原子核離子輕，容易煲滾，電子煲到一億度時，離子可能只有三四千萬度，中外好多報導就將電子溫度同離子溫度搞亂晒。切記，講離子溫度先有意義。上面第3點，同下面講既，都係離子溫度。

5. 離子煲上一億度就係夠叻，識得煲熱多兩三倍當然更叻，但過三億度就反而降低效能壞左件事。上一億度之後接住就係睇hold唔hold得住，就好似玩舉重咁。我列舉一些現時紀錄數字：
德國Stellarator 7X: 2015年離子溫度一億度，0.25秒。2018年6月，五千萬度，>100秒。
韓國K-Star: 2019年2月，一億度，1.5秒。
中國EAST: 2015年，五千萬度，100秒。2018年11月，五千萬度，100秒。

6. Hold住煲咁熱既離子湯當然難，要用電磁場甚至輔助噴射束，凌空浮住。
睇返數字，以為中國無進步？唔係，佢地一路準備緊將煲熱湯拎去產生核聚變，所以一路試緊用更複雜的模式去控制緊煲離子湯。韓國情況一樣，但未追上中國。

7. 德國呢？德國的Stellarator鍋爐，與其他國家的Tokamak的形狀又有啲唔同。睇牌面以為中國同佢差唔多，但其實人地已上到另一層次，就是去年已經試過將煲離子湯拎去撞，大量產生核聚變，過程歷時0.2秒。

8. 煲得夠熱，Hold得夠穩夠耐，落鑊撞出過聚變能源... 之後仲要比較乜嘢？至少還有效能 - 聚變產生的能量是否多過輸入？目前紀錄保持者是英國1997年EuroJET的69%，輸出能量只及輸入的69%的意思，蝕。

9. 在法國的世界聯合ITER計劃緊一個2025年運行的聚變鍋爐：一億五千萬度，會有離子對撞產生聚變，目標係輸出大過輸入10倍。如果成功，在輸入功率為50MW的情況下，輸出有500MW以上，就已經是一個有實際用途的發電廠。晌而家無任何國家做到輸出大於輸入的情況下，目標都好遠大。
中國方面，開始嘗試離子對撞產生核聚變，相信會好快出現。

10. 當然，真正專家睇到呢篇嘢，又會覺得我仲有好多缺漏，隔熱材料問題，離子體穩定問題，部件耐用問題，仲未有功力去一一比較，歡迎賜正補充。