未來的能源：核融合—《寫給未來總統的能源課》 - 泛科學

豐富的氫曾經是核融合比起核分裂最大的優點之一，但是後來人們發現鈾的蘊藏量同樣足以讓我們用上幾百年。

· 核融合反應所產生的氦既不危險，也沒有放射性， ... 121文字分享友善列印121好書搶先看專欄環境生態科技能源能源動力未來的能源：核融合—《寫給未來總統的能源課》azothbooks・2014/04/02・3337字・閱讀時間約6分鐘・SR值534・七年級＋追蹤有個笑話是這樣的：核融合是未來的能源，而且永遠都是未來的能源。

研究核融合的科學家和工程師痛恨這個笑話，他們覺得一點也不好笑。

不幸的是，這個笑話是有歷史根據的，而且就建立在該領域的科學家們過於樂觀的預測上。

早在1955年，印度籍的核子物理大師霍米‧巴巴（HomiBhaBha）就曾經在一個國際研討會上說：「我大膽預測，我們在20年內就可以找到控制核融合反應以釋出能量的方法。

到時候，就可以永遠解決全世界所面臨的能源問題。

」【1】這個預測已經過了將近60年。

根據目前的預測，核融合發電應該會在20年內實用化。

這個預測會成真嗎？我認為會，而且應該就在這個世紀結束前。

在我們的有生之年可能就會看到核融合成為主要的商業發電方式，雖然它的發展太緩慢，無法解決我們在能源安全和全球暖化上的燃眉之急。

為何科學家過去會這麼樂觀？核融合反應是太陽的能量來源，核融合的支持者喜歡強調這點，因為這讓核融合看起來非常自然。

太陽的燃料是一般的氫，宇宙中含量最多的元素。

（這就是為何恆星可以持續燃燒數十億年。

）如果你以原子的數量而非總重量來看的話，氫也是人體裡含量最多的元素。

同樣地，以原子的數量來看，氫也是海洋中含量最豐富的元素。

我們有用不完的氫燃料，至少幾百萬年內都不用擔心。

【2】豐富的氫曾經是核融合比起核分裂最大的優點之一，但是後來人們發現鈾的蘊藏量同樣足以讓我們用上幾百年。

而且我們同樣有取之不竭的再生能源，至少只要太陽還在燃燒就不用擔心（目前估計太陽的壽命至少還有50億年）。

核融合的另一個優點是，就放射性而言，比較乾淨。

核融合產生具危險性的核廢料非常少。

但並不是完全乾淨的能源。

最成熟以及即將用在未來所有大型反應爐的氫核融合反應如下：氘＋氚→氦＋中子在水中就含有大量的氘，但是氚非常稀有。

地球海洋中所含的氚只有16磅。

核融合反應一開始所需的氚必須裝備在反應爐中，但是之後反應爐中就可以自行「增殖」：讓反應產生的中子轟擊鋰就可以產生氚。

核融合反應所產生的氦既不危險，也沒有放射性，也是氣球裡填充的氣體。

但是反應所放射出來的中子，雖然對氚的增殖也很重要，卻會造成問題。

中子會被大多數的材料所吸收，而這些材料在吸收了中子之後多半會變成具有放射性。

雖然放射性很微弱，但是「仍然會產生一些放射性」這一點還是會成為反對者攻擊的目標。

這種恐懼部分源自人們無知地相信所有的放射性都是不好的，而且以為我們可以也應該要將放射性完全從環境中排除。

還有一些核融合反應並不會產生麻煩的中子。

其中最有趣的是氫與硼的反應：氫＋硼→3氦＋伽瑪射線伽瑪射線不會產生額外的放射性，只是單純攜帶能量。

所以這種反應相對而言似乎比較乾淨，至少對恐懼放射性的人來說。

不幸的是，要啟動這種反應的困難度高上許多，需要更高的觸發能量，因此大概不會是第一個實用化的技術。

在下一節裡我會談到一間正在開發這種技術的公司，這間公司的名字三阿法能源公司（TriAlphaEnergy）就是從三個氦而來（氦原子核又稱為「阿法粒子」）。

最後，我們對核融合的未來感到樂觀的原因是，人類早在1953年就已經成功在地球上製造出核融合反應，也就是氫彈。

我們要做的就是找出控制核融合反應的方法，可以用更緩慢而非爆炸的方式來釋放出能量（雖然有人主張可以把許多氫彈放在地底下，在需要的時候引爆，讓水汽化以驅動渦輪）。

科學家提出了許多種控制核融合反應以進行發電的方式。

下面我會介紹五種最受矚目而且很適合解說的方法。

分別是環磁機、國家點火設施、離子束融合、緲子融合與冷融合。

環磁機環磁機（tokamak）是前蘇聯在1950年代所發明，原文名稱是「電磁線圈所形成之超環面腔體」（toroidalchamberwithmagneticcoils）的俄文縮寫。

科學家很快就發現環磁機的設計優於其他的方式；過去60年間，環磁機是吸引了最多注意力與最多研究資源的核融合控制技術。

環磁機使用的是極高溫下的核融合反應，也就是所謂的「熱核融合」，與太陽核心以及氫彈內的反應相同。

兩個氫原子核碰在一起時就會發生核融合反應；強大但短距的核力（nuclearforce）會將兩個氫原子核融合在一起並且釋放出能量。

問題是兩顆氫原子都帶正電，因此靠近時會產生非常強的排斥力。

在熱核融合裡，高溫能克服這種排斥力。

原子在高溫下會進行高速運動，當速度足以克服排斥力時，核融合反應就會發生。

太陽核心的溫度據估計大約是1500萬度。

【3】ITER的最新型環型機環磁機內部的核融合反應所需的溫度高達1億度，是太陽核心溫度的7倍！溫度這麼高是因為我們的耐心有限，希望能夠快速產生能量。

太陽內部製造能量的速率非常低─即使核心中最熱的部分也只有0.3瓦/公升。

這個值比你的身體釋放出來的能量密度還要低（體重75公斤的成人平均會釋放出75瓦的能量，即1瓦/公升）。

太陽巨大的體積再加上所有的熱最後都會擴散到表面，彌補了低能量密度。

但是環磁機的體積有限，所以必須用更高的溫度，以及更容易反應的燃料（氘和氚，而不是一般的氫）來提高核融合的速率。

這些重氫的原子核裡含有額外的中子；中子不會影響排斥力的大小（因為不帶電），但是會增加核力，從而提高原子核融合的速率。

在溫度高達數百萬度的環磁機裡，沒有東西能維持固態，那我們要如何讓氫在其中反應呢？答案是使用一個以磁場而非物質所形成的容器。

這種方式叫磁場局限（magneticconfinement）。

這種「磁容器」應該長成什麼樣子並不是那麼顯而易見，而早先嘗試的結果都太過易漏。

雖然環磁機也會滲漏，但是滲漏的速度緩慢，因此我們希望氫能夠在其中停留得夠久以進行熱核反應。

環磁機雖然穩定地取得成功但是進展緩慢。

每當密度和溫度提高時，都會產生新的滲漏問題。

但是系統越來越大時，這些問題便消失了，因為尺寸本身就有助於控制滲漏。

最新型的環磁機是國際環磁機實驗反應器（InternationalTokamakExperimentalReactor，ITER，如圖表III.14）。

它原本的名字是國際熱核反應器，但是其中的「核子」嚇壞了很多人）。

國際環磁機實驗反應器的目標是產生400秒以上功率500MW的能量，這個能量是環磁機運轉所需能量的10倍。

國際環磁機實驗反應器非常地巨大（60英呎，也就是18公尺高）且昂貴，而且已經嚴重透支最初預估的成本。

它原本估計的建造成本是50億歐元；到了2009年，這個數字已經上升到100億歐元；一年後更增加到150億歐元。

預算追加的幅度比實際的成本還嚇人。

如果實驗反應爐這麼昂貴，核融合真的會有競爭力嗎？科學家嘗試刪除一些次要的研究計畫來削減成本，如減少輻射損傷的檢測，但是這種作法令其他的科學家憂心忡忡。

他們擔心減少這些檢測，可能會在未來造成更大的問題。

如果因輻射而受損的爐壁必須經常更換的話，環磁機的成本大概永遠也降不下來。

根據表定的時程，環磁機將在2019年開始進行熱氣體注入測試，然後在2026年開始進行氫燃料核融合反應，最後在2038年完成計畫目標。

到時結果具說服力的話，可能會接著展開商用反應爐的設計。

能源科技經常會遇到一個問題。

當這些科技還很遙遠且抽象以取代鈾核分裂，但更加乾淨的能源。

但是當一項新技術快要成真時，有時會被重新檢驗並遭到否決。

綠色和平組織最近決定反對國際環磁機實驗反應器，原因是它的造價過於昂貴。

綠色和平說，即使它真的能運作，仍要耗費數十年才能商用化來回應全世界的能源需求（正確無誤）。

他們擔心一座無法在未來幾年做出貢獻的機器，可能無法阻擋全球暖化，因此應該把這些經費花在風力、太陽能以及其他很快就能實用化的再生能源。

（全文未完） 註：霍米巴巴在聯合國於1955年在日內瓦舉辦的「AtomsforPeace」研討會的主席致詞時作出了這個預測。

演說全文可參考BhabhaandHisMagnificentObsessions,byG.Venkataraman（Hyderabad,India:UniversitiesPress,1994）第一代的核融合發電廠可能會以氘和氚，而不是一般的氫為燃料。

氘是重氫，它之所以比較受重視，是因為原子核裡多了一顆中子。

雖然氘的含量只有一般氫的1/6240，但是可以便宜的方式從水中分離得到。

氚是更重的氫（多了兩顆中子），而且非常稀少，因為具有放射性，而且半衰期只有12年；海水中的氚總共只有大約16磅。

但是讓核融合電廠中所釋放的中子拿來撞擊鋰靶就可以製造出氚。

提供我們光亮的太陽表面溫度遠低於核心，只有大約6000度。

但是它擁有來自內部炙熱核心的所有能量。

太陽表面不會產生核融合反應，因為溫度太低了。

 摘自PanSci2014四月選書《寫給未來總統的能源課》，由漫遊者文化出版。

日常隨手的物品，看起來像是海底世界！？簡單俐落—WowstickDrill職人電鑽筆手寫比吃銀杏快又便宜！？科學實驗室EP.3—手寫內容立即數位化！你知道台人金融知識不及格嗎？理財觀念從小做起！面對環境V.S.經濟，是否還有第三種解法？感情攻防戰！你不可不知的出軌心理！相關標籤：寫給未來總統的能源課核融合能源熱門標籤：量子電腦BNT疫苗珊瑚諾貝爾獎前列腺文章難易度剛好太難所有討論 1登入與大家一起討論#1鄭國威Portnoy2020/12/29回覆最近很多核融合的消息，包括中國、韓國都有新進展，將電漿溫度提高到新高、或是開始放電。

讓人感覺核融合可能不再是未來但永遠不來的能源。

azothbooks38篇文章・ 11位粉絲＋追蹤漫遊也許有原因，卻沒有目的。

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文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學，以及問題解決的實用學，這些都是「漫遊者」的範疇，「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式，尋找新的面貌，為出版文化找尋新風景。

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揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

圖／科技魅癮提供基因定序對人類生命健康的意義在歷史上，DNA解碼從1953年的華生（JamesWatson）與克里克（FrancisCrick）兩位科學家確立DNA的雙螺旋結構，闡述DNA是以4個鹼基（A、T、C、G）的配對方式來傳遞遺傳訊息，並逐步發展出許多新的研究工具；1990年，美國政府推動人類基因體計畫，接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入，到了2003年，人體基因體密碼全數解碼完成，不僅是人類探索生命的重大里程碑，也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。

原本這項計畫預計在2005年才能完成，卻因為基因定序技術的突飛猛進，使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展，早期科學家只能測量DNA跟RNA的結構單位，但無法排序；直到1977年，科學家桑格（FrederickSanger）發明了第一代的基因定序技術，以生物化學的方式，讓DNA形成不同長度的片段，以判讀測量物的基因序列，成為日後定序技術的基礎。

為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求，出現了次世代定序技術（NGS），將DNA打成碎片，並擴增碎片到可偵測的濃度，再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。

不僅更快速，且成本更低，讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對，解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤，也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面，儘管目前NGS並不能找出全部遺傳性疾病的原因，但對於改善個體健康仍有積極的意義，例如：若透過基因檢測，得知將來罹患糖尿病機率比別人高，就可以透過健康諮詢，改變飲食習慣、生活型態等，降低發病機率。

又如癌症基因檢測，可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測：前者可偵測是否有單一基因的變異，導致罹癌風險增加；後者則針對是否有藥物易感性的基因變異，做為臨床用藥的參考，也是目前精準醫療的重要應用項目之一。

再者，基因檢測後續的生物資訊分析，包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等，對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。

圖／科技魅癮提供建立屬於臺灣華人的基因庫每個人的基因背景都不同，而不同族群之間更存在著基因差異，使得歐美國家基因庫的資料，幾乎不能直接應用於亞洲人身上，這也是我國自2012年發起「臺灣人體生物資料庫」（Taiwanbiobank），希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。

而2018年起，中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」（TPMI），希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫，促進臺灣民眾常見疾病的研究，並開發專屬華人的基因型鑑定晶片，促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了20萬名臺灣人，這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者，超過99％是來自中國不同省分的漢族移民人口，其中少數是臺灣原住民。

這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫，其中，漢族的全部遺傳變異中，有21.2％的人攜帶遺傳疾病的隱性基因；3.1％的人有癌症易感基因，比一般人罹癌風險更高；87.3％的人有藥物過敏的基因標誌。

這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性，例如：若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型，醫生在開藥時就能使用替代藥物，避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰：個資保護與遺傳諮詢雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門，但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上，存在著道德倫理的考量，例如：研究用途的資料是否能放在病歷中？個人資料是否受到法規保護？而且技術上各醫院之間的資料如何串流？這些都需要資通訊科技（ICT）產業的協助，而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。

對醫院端而言，建議患者做基因檢測是因為出現症狀，希望找到原因，但是如何解釋以及病歷上如何註解，則是另一項重要議題。

從人性觀點來看，在技術更迭演進的同時，對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生？回到了解病因的初衷，在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時，家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等，都是值得深思的議題，也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。

科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好，因此，基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統，以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡，將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容，請見「科技魅癮」：https://charmingscitech.pse.is/3q66cw日常隨手的物品，看起來像是海底世界！？簡單俐落—WowstickDrill職人電鑽筆手寫比吃銀杏快又便宜！？科學實驗室EP.3—手寫內容立即數位化！你知道台人金融知識不及格嗎？理財觀念從小做起！面對環境V.S.經濟，是否還有第三種解法？感情攻防戰！你不可不知的出軌心理！相關標籤：DNA基因定序生物醫學疾病檢測精準醫療醫療倫理熱門標籤：量子電腦BNT疫苗珊瑚諾貝爾獎前列腺文章難易度剛好太難所有討論 0登入與大家一起討論科技魅癮15篇文章・ 12位粉絲＋追蹤《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊，每期都精選1個國際關注的科技議題，邀請1位國內資深學者擔任客座編輯，並訪談多位來自相關領域的科研菁英，探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展，盼可藉此增進國內研發能量。

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