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癮科學：無中子核融合（就是鋼彈裡用的那種）

由 Andy Yang 於 7 months 之前發表

文章分類: 特色玩意



因為核融合那篇出乎意料之外的熱門，而且很多人都有提到鋼彈裡的氦3 - 氘反應和「米諾夫斯基物理學（呃...）」，所以小薑就特地查了一下資料。看看這兩者有沒有科學真實性的存在。顯然的米諾夫斯基粒子（和延伸而來的 I-Field、米加粒子）完全是虛構的，但氦3 - 氘反應卻是非常真實的一個存在，是幾種稱為「無中子核融合（Aneutronic Fusion）」反應中的一種。先前提到過最容易實現的 D-T 反應和 D-D 反應的產物中都有中子，因而各有各的安全顧慮 -- D-D （氘-氘）反應會產生中子轟炸周圍的材料，使周圍的材料幅射化，而 D-T （氘-氚）反應除了同樣會產生中子之外，氚還有幅射性。相較之外，無中子核融合追求的是不僅原料沒有幅射性，反應本身也不會產生中子，成為完全「乾淨」的核融合。

然而，美好的事物通常只存在於紙上...

氘-氦3 反應

D + ³He ->4He + p

這就是先前提到的氘+氦3 -> 氦4 + 質子的反應。質子帶正電，所以會被限制在電磁場內，不會四處亂轟炸周圍的材質，氘、氦3 和氦4 也都是無幅射的物質，所以看起來很乾淨。可惜的是，因為氘-氦3 反應的溫度比 D-D 反應高，所以做為氘-氦3 反應原料的氘會有一部份自行先進行融合，放出中子。這個比例可以控制在幾個百分點之內，但卻不能完全根除，所以其實氘+氦3 反應並不是完全乾淨的。

但終究它是比單純的 D-D 反應或 D-T 反應要乾淨多了，而且還有幾個額外的好處：首先，它反應產生的質子可以用非熱力的方式發電，能量轉換效率可能達到 70%（以熱推動蒸汽機最高約 35%）。其次它產生的能量還不錯，以 100% 的能量轉換效率之下，6g 的氦3 和相對應量的氘反應，可以產生約 1000 MW-h 的能量。最後，它需要的反應條件雖然高出其他幾種無中子核融合甚多，但還在發展中的磁力型和鐳射型核融合反應爐的能力之內，或許不用像 p-11B 反應那樣還要發展新技術。因此許多人認為這是個不錯的第二代技術，在真正的無中子核融合出現前墊一下檔。



氦3 從哪來？

氦3 的來源有幾個。地球上的自然氦3 少得可憐，地殼中含有的氦本來就不多，而氦3則大約只佔氦總量的五十萬分之一，直接從土裡開採根本不合算。天然氣中也有氦，而且其中 氦3佔的比例比較高，但就算全美國的天然氣儲存加起來，或許裡頭只有 10~100kg，可能供應一座 1000 MW 的發電廠運轉一年都不夠（24hr x 365 天 x 6g x 1.42 約等於 75 公斤）。因此想要取得氦3只能用人造的，或是尋求地球以外的來源。

人造的方法，就是等待氚自然衰變，或是用中子轟炸鋰、硼、氮等元素。然而，當初改用氦3，就是為了避免使用氚的危險，這下子又繞回來了，何苦呢？何況氚的來源也不是那麼豐富。至於用高能中子轟炸元素，除了過程本身會耗去大量的能量外，又會產生一堆受到中子轟炸而產生的幅射廢棄物，所以人造這條路似乎也不是很可行。

最後，只好前往外太空挖啦。月球是首選（！），因為月球表面累積有數十億來隨著太陽風而來的氦3 ，含量高的地方每 100 噸裡可能有 15g（15 ppb），存量少的地方則可能只有 3g。但因為整個月表都有，所以可開採的總存量大約在 250 萬噸之普，夠地球人用很久，很久，很久。但是以目前的技術上月球開採並不實際 -- 太貴，也太大工程了。更進一步的可能性，是前往太陽系裡的大號行星 -- 木星、土星等開採，不僅含量更高，開採也更容易。只是要將氦3 從重力井中拉出來要大量的能量，也不一定符合經濟效益。

幾種無中子核融合反應

除了氘 - 氦3反應之外，還有許多種其他的無中子核融合反應，但大多都有各式各樣的困難。如果能以氘 - 氦3反應為跳板，取得穩定的氦3 來源的話，那 3He+3He -> 4He + 2p 是很合理的下一步。這個反應有 氘 - 氦3 反應的所有優點，而又沒有氘 - 氦3 放出中子的缺點。另一種可能的反應是兩個反應的連鎖，分別是 p+6Li ->4He + 3He 和 3He + 6Li -> 24He + p。總合下來兩個反應會消耗 6Li、產生 4He，但科學家的計算是即使兩個反應互相提供原料給對方，對減低反應所需溫度的幫助還是有限，所以恐怕也是此路不通。

最後有兩種質子和較重的原子核的反應 p+7Li -> 2 4He 和 p+11B -> 3 4He。兩相比較，前者的排斥力比較小，但後者的目標比較大，比較容易被質子命中，最後算下來還是後者比較容易（所以在第一篇是這寫這個）。只是這個「比較容易」完全是相對而言的，和 D-T 反應比起來，p-11B 反應需要的能量太高了，光溫度估計就要攝氏 66 億度，約是 D-T 反應的十倍。而且，以產生的能量來算，p-11B 反應只有 D-T 的 1/3，所以要讓反應能持續進行，勢必要更好的能量保存機制，現有的磁力限制和鐳射壓縮式核融合會讓太多能量以廢熱和高能射線的形式散去，因此不足以進行 p-11B 反應。要達到完全乾淨的核融合還真是困難啊！

結語

再一次的，看似瘋狂的卡通科學背後，其實背後是有其真實性的。或許這就是科幻引人入勝的地方吧！無中子核融合和普通核融合相比，是更遙遠的未來，需要更多新的技術和大量資本的支持。但和普通核融合一樣，這是人類總有一天勢必要前進的方向。為了經濟地上月球採礦，我們勢必要建造一系列的太空電梯、太空站、短程貨物運輸太空船、月球採礦基地，最終，永遠的月球住人基地。如果只是單純為了「前進太空」而計畫月球基地，那最終大概只會像阿波羅計畫一樣因經費不足而告終，但如果是為了人類未來的能源，那大概就會成功了吧 XD。

真期待有去月球基地玩的一天...

Tags: column-andy, column-andy-science

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