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美國NIF的核融合試驗 及核武問題

2022年12月13日,美國能源部(DOE, Department of Energy)召開記者會(參考),宣布美國勞倫斯利佛摩國家實驗室(LLNL, Lawrence Livermore National Laboratory)的「國家點火裝置」(NIF , National Ignition Facility)5日的時候,在核聚變的試驗上達到新的里程碑,透過雷射輸入2.05MJ的能量產生核聚變,產生3.15MJ的能量,達到能量的「損益平衡」(breakeven)點。

核融合

核融合(fusion)指的是兩個較小的原子,融合成一個較大的原子。在這個過程中,會能產生巨大的能量。但核融合需要極端的環境(例如太陽)才能發生。

帶正電的原子核與原子核間,在融合之前、靠得很近的時候,有強大的互斥力;要克服這股互斥力,要給予夠高的能量(若以「溫度」來理解,視其它條件,可能介於千萬至數億度)、夠高的燃料密度(減少原子與原子間的距離)、並維持夠長的時間(把原子「拘束」在這個狀態下愈久,融合的機率愈大)。

要達到上述三個條件,已經有十分難達到的技術門檻。而要人為創造出這樣的條件,需要先提供很大的能量,來使用例如雷射、加熱等相關設備;若想要把核融合能投入發電等應用技術上,就必須要讓核融合產生的能量、大於前面提供的啟動能量,才有可能的應用價值。

NIF的成果

當代對核融合的研究,主要兩種技術系統的路線。一種是「磁場拘束融合」(MCF, magnetic confinement fusion),另一種則是「慣性拘束融合」(ICF, inertial confinement fusion)。

NIF是目前全球最大的ICF裝置。NIF的作法是,使用氘、氚作為核融合燃料,製成一顆米粒般大小的球體;使用192道雷射對這個燃料球施加能量,使燃料球的外層電漿化,而向「外」產生爆炸,並向「內」產生推擠,讓燃料球產生極大的密度,達到核融合發生的條件。

NIF宣稱,12月5日首度讓產生的能量、大於輸入的能量。不過這個說法,有一些定義上的爭議。儀器發出雷射,是一件效率很低的事。在NIF這次的試驗中,雷射儀器使用了約300MJ的電能(參考),才發出2.05MJ的雷射,之後才產生3.15MJ的核融合能量。NIF採輸入2.05、輸出3.15這兩個數字,認為達到150%的效益;但若採300、3.15這兩個數字,效益大概只有1%。

3.15MJ的能量,若完全捕獲、並完全轉換成電能,等於0.875度電。若期待NIF的結果促進核融合發電用途,核融合量體規模的提升、能量的捕捉轉換等,都仍是尚未解決的問題。

NIF與核武

相較於發電,NIF的突破,更多的貢獻將會是加強美國的核武能力。這點,美國能源部也不避諱的寫在當天新聞稿的開頭摘要中;美國核安管理局註釋,負責國防計畫註釋的副局長Marvin Adams在記者會上,也清楚的說明了NIF研究工作對美國核武的貢獻(參考摘譯

NNSA, National Nuclear Security Administration.

美國國家核安全局是聯邦機構,主要工作是負責通過核科學的軍事應用來維護國家安全

"Defense program", NNSA的主要計畫之一,目的是確保美國儲備的核彈,維持在安全、保障、且有效的狀態下。

「……核融合不只是當代核武的核心機制,也有成為潔淨能源的潛力。NIF的突破對潔淨能源將會有所貢獻。

更直接的,這個成究將會在三個面向上,提升我們的國家安全。

第一,它會帶領實驗室研究,協助NNSA的「防禦計劃」,在沒有核試爆的情況下,讓我們仍對自己的威懾力有信心。

第二,它展現了我們在武力相關技術的全球領先能力,支持了我們威懾力的可信度。
也就是說,『我們知道我們在幹麻』。

第三,持續向我們的盟友保證,『我們知道我們在幹麻』;同時也可以避免可能造成核擴散的核武試驗。這些都能增加我們的國家安全。……」

事實上,NIF的存在,自始就是以維持美國核武能力為首要目的。

全球核武工業快速發展於冷戰時期。1991年蘇聯解體、冷戰結束,使得核武工業不再受到支持;1996年聯合國通過的《全面禁止核試驗條約》(CTBT, Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty),要求各國不進行核武試爆。

不能進行試爆,對新核武的發展,造成很大的限制;同時,該如何保存、維護手上大量核武,也成為美國要解決的問題。在這個背景下,美國提出了「儲存管理」計畫("Stockpile stewardship")。

作為Stockpile stewardship的一部分,美國在LLNL設置NIF的首要目的,就是在不試爆的情況下,在實驗室層級中,進行核融合實驗,藉此提供研發新核武的技術,維持美國的核武能力NIF, 1997

美國能源部1997年的NIF計畫報告

"The most immediate application of the NIF will be to provide nuclear-weapon-related physics data, because many high-energy-density physics phenomena that will occur during NIF experiments are relevant and similar to those occurring in nuclear weapons.

With the comprehensive test ban now signed by the President and awaiting ratification by the Senate, the NIF will provide an important capability for weapons-physics simulations.

Along with numerical simulations and other aboveground experimental facilities, the NIF will provide critical data that will allow the United States to maintain its technical capabilities in nuclear weapons in the absence of underground testing."

NIF進展的幾個面向

在科學上,NIF在ICF技術上達到新的科技里程碑。此外,ICF的融合情況非常極端,將提供研究者未有過的研究觀測條件。

在科技應用上,距離核融合發電,仍十分遙遠。除了系統輸入能量仍遠大於核融合產生的能量以外,NIF或許一天可以進行一次這樣的核融合,但ICF技術下想像的電廠雛型,可能一秒需要十次這樣的反應(參考)。其它包括能量的捕捉、轉換等應用技術,也都尚待發展。(在可能的發電應用上,MCF技術比ICF走了更久更遠一點。參考。)

NIF目前最大的進展,在於美國核武能力的研究與推進。與MCF技術相比,在ICF技術下的核融合情境,更貼近核武引爆的情況,可在沒有核試爆的情況下提供核武發展相關研究數據;ICF核融合的原理,也與核融合武器的開發一脈相傳,其啟動融合的機制,可能推動新的核武技術應用註釋

編按:

當代兩大核融合技術系統中,MCF的燃料在低密度的情況下,延長拘束時間來發生核融合。在ICF中,則是試圖創造出極高的密度,在極短的拘束時間內發生融合。

在這篇介紹,給了一點量化的概念,MCF的原子核密度比空氣再稀薄一點,拘束時間最少需要幾秒鐘。ICF的燃料則會被壓縮到比密度則會金屬鉛還要高出數倍,並在幾十億分之一秒內達到核融合。

當代的熱核武器(包含核融合機制的核彈)原理,基本上是先透過第一階段的核分裂爆炸,創造出瞬間的高溫高壓,催動後續階段核融合燃料的高密度條件、發生核融合,再釋放出核融合的毀滅性能量。

ICF與當代熱核武器的基本原理是相同的。差別在創造啟動的能量來源不同,以及設計量體上的不同而已。