【文╱林志鴻】
●太陽能量怎產生？ 核融合反應下產物
離我們最近的恆星是太陽，一開始對太陽能源源不絕放出熱量，滋養大地萬物，最直觀的想法就是把太陽當作一顆大煤球，在太空中不停燃燒。這個說法出現了兩個問題：
第一、和太陽質量相等的煤球，如果真的拿來燃燒，大約只夠燒1億年左右，但太陽現年46億歲。
第二、燃燒要有三個條件：可燃物、助燃物和溫度要達到燃點。
太陽本身的成分主要是氫和氦，氫可以當作可燃物，太陽的溫度也夠高，但在外太空，缺乏助燃物氧氣，所以無法藉由燃燒來放出熱量。
太陽每天都高高掛在天空，光明正大的釋放能量，答案卻難以理解。
愛因斯坦提出相對論之後，人們對太陽產生能量的方式才有了特別不同的看法。最早是亞瑟‧愛丁頓爵士，他在1920年提出恆星的能量來源是核融合反應，當時有其他科學家對他的研究提出挑戰，大約經過20年的論戰，最後在1939年，由漢斯‧貝特計算出太陽的能源是氫原子經過四步核融合反應形成氦，沸沸揚揚的恆星核融合反應才算塵埃落定。
●番外篇
這兩位科學家有些好玩的趣聞：
有記者問愛丁頓說是否全世界只有三個人真正懂得相對論，愛丁頓思考了一下回答：「我正在想第三個人是誰？」
二戰期間，貝特受羅伯特‧奧本海默之命負責原子彈研發的理論物理研究。期間他還提拔了年輕人理察‧費曼。有一個計算核武器效率的公式就叫做貝特－費曼公式。他因對問題採取刨根問底的研究方法，有「戰艦」的暱稱。
●萬有引力聚集氫 融合成氦釋能量
恆星形成大致上是這樣的過程：
恆星藉由萬有引力把氫氣聚集起來，質量愈來愈大，造成恆星中心的溫度高到可以將氫原子核外的電子激發出去，變成電漿態；又加上巨大的壓力使得兩個氫原子核（兩個質子）擠壓在一起，融合成為氦原子核，釋放出巨大能量，恆星由中心點開始點燃產生光及熱，向四面八方擴張開來，但又因為巨大的萬有引力向內聚合，使得這兩股勢力達到平衡狀態。
以太陽為例，太陽維持這種穩定狀態已經有46億年了，這樣的穩定狀態還可以再維持50億年左右。
這是一種動態平衡的狀態，如果太陽內部活動比較旺盛，使得膨脹程度大於平均值，會使得太陽體積變大，密度變小，抑制核融合反應，使反應速度降下來，萬有引力使得原來膨脹的體積再度縮小，而縮小的體積又會讓密度變大，反應再加快，活動變旺盛，體積變大……，太陽就像心臟一樣，噗通噗通的搏動著。
●太陽能量有多大？ 每秒20億顆沙皇炸彈
太陽釋放的能量有多高呢？我們可以用以下的數據來比較看看：
目前在地球上實際試爆過的最大氫彈是「沙皇炸彈」，相當於5千萬噸TNT炸藥的威力，是投擲在日本廣島市「小男孩」原子彈的3,800倍和長崎市「胖子」原子彈的2,300倍。
根據科學家估算，太陽每秒產生的能量是20億顆「沙皇炸彈」同時爆炸的威力。想想，太陽現年46億歲，歷經了多少秒呢？每秒炸了20億顆，簡直難以想像……
地球繞著太陽公轉，能接收到的太陽能量只有極少極少的一部分，這些能量就足以涵養地球上所有的生命。
再想想銀河系約有1010顆恆星，宇宙有1010個星系，整個宇宙的恆星約有1020顆，太陽只是滄海之一粟，宇宙之浩瀚，難以計數。
●核融合發電三條件 高溫、高壓、時間長
在地球上如何創造被稱為「人造太陽」的核融合反應呢？事實上，氫彈就是利用核融合反應產生出來的毁滅性武器，將核融合反應產生出來的能量一瞬間全部釋放出來，狂暴猛烈，只有毁滅。如果能讓氫彈反應的速度慢下來，收放自如，便可以用在和平用途。
想想恆星能產生核融合反應的主要原因是萬有引力，倚靠重力使中心部分達到高溫高壓。在地球上沒有這麼大的重力來催生核融合反應，但要達到高溫高壓的環境，人類是有辦法創造出來。理論及小規模實驗的成功，使我們實現核融合反應發電的理想，不再只是空想，聖杯觸手可及，只差一步之遙。但在核融合的科學領域裡，流行一句笑話，只差一步之遙就是30年，而且永遠都是差那麼一步。
要把核融合反應拿來發電，至少要達到三個條件：高溫、高壓、時間長。前兩個條件很容易達成，但要維持反應時間長，就有很大的困難。氫彈就是在高溫高壓下產生的核融合反應，但無法維持時間長的條件。
另外，即使能夠產生核融合反應也需要先達到高溫高壓的條件，必須先輸入能量來產生核融合反應，再由核融合反應來產生能量輸出。所以我們可以利用一個簡單的概念判斷，見圖1。
如果Q=1，表示E出（輸出能量）=E入（輸入能量），則沒有多餘的能量可以用來發電。要達到能夠商業運轉的規模，Q值要達到5以上才有開發的條件。
●慣性局限融合 很多困難待克服
目前產生核融合反應的方式有兩類：慣性局限融合（inertial confinement fusion）和磁局限融合（magnetic confinement fusion），分述如下：
慣性局限融合的技術利用雷射的衝擊波使得通常包含氘和氚的燃料球達到極高的溫度和壓力，來引發核融合反應。美國的國家點火設施（NIF）是目前最大的慣性局限融合裝置，美國能源部在2022年12月13日宣布勞倫斯利弗莫爾實驗室成功取得核融合反應的重大突破，就是以這種方式來產生核融合反應。
所謂的重大突破是Q值約為1.5左右，但經過專家仔細檢驗整個數據來看，還有很多困難有待克服，例如持續時間不夠長，至少要在一秒鐘裡頭產生10次以上相同的反應；如果將「產生雷射的能量」算進「輸入能量」裡，Q值就會小於1。在這個聖杯的追求過程中，總有令人驚豔的失望。
●磁局限融合 想要商轉等10年
磁局限融合是利用磁場與高熱電漿來引發核融合反應。主要代表是國際熱核融合實驗反應爐（International Thermonuclear Experimental Reactor，縮寫：ITER）是國際核融合研究的巨型工程，有望成為世界上最大的磁局限電漿物理學實驗。
ITER位於法國南部，由歐盟、大陸、印度、日本、俄羅斯、南韓和美國等國聯合出資籌建，最快將在2025年開始進行電漿實驗。該設施主要研究托克馬克型（Tokamak，一種巨大環形機器）的核融合技術與工程，評估可行性，同時也要證明不會產生負面影響。
目前這兩種核融合的技術要到商業運轉的條件，至少還要10年以上、甚至更久的時間。仰望天際，太陽依舊燦爛耀眼，從不吝惜向萬物分享自己的核融合反應，渴望的聖杯就在眼前！
【2023-03-27/聯合報/R07版/好讀周報動腦力】
