王孟源【工業】【能源】永遠的未來技術

2015-03-01 02:59

我高一那年，有一位清華的教授到台中來演講，講題是核融合（Nuclear Fusion，大陸叫核聚變）。當時Princeton university正在籌建西方的第一座大型Tokamak核融合反應器TFTR（Tokamak Fusion Test Reactor）。Tokamak原本是蘇聯的設計，亦即在一個環面形的容器內，靠高強度磁場來制約極高溫的電漿（Plasma，大陸稱為等離子體）；電漿內的氫同位素原子核在溫度夠高時，便能跨越電磁排斥力而融合成氦，並釋放出大量的能量。那位教授不但把物理和工程的綜合過程描述得極為生動引人，而且一再強調在30年內核融合電厰就必然會商業化，從而一舉解決人類的能源需求問題。十五歲的小夥子很容易上當，尤其是當演講人自己也相信那些鬼話的時候，所以我基於錯誤的訊息做了兩個重大的人生決定：第一個是捨數學而做物理；第二個是捨台大而上清華。

當然，30年早已過去了，TFTR從1982年起到1997年運行了15年，根本就沒有解決核融合電厰的真正技術難題，這個燙手山芋被丟給了下一代的International Tokamak Experimental Reactor（ITER，將於今年開始組裝，預計2027年開始運作）。與30多年前相比，現在最樂觀的核融合研究估計（只算誠實的）是還要至少50年才有可能實用化，也就是進度倒退了20年。以這個趨勢來算，到50年後的2065年，進度會再倒退30年，所以屆時搞核融合的主管應該會給出「再過80年」的估計了。這雖然是個笑話，卻是很有可能會真正發生的，因為前面提到的「核融合電厰的真正技術難題」是怎様處理核融合產生的中子：人類至今所有的機械靠的都是電磁作用，而中子卻是真正全電中性的，不像原子一様有帶負電的電子包圍帶正電的核子，所以我們對中子的路徑完全無法控制，唯一的選擇是要不要遮擋它。目前所有的Tokamak設計靠的都是D+T=>He+n的反應，其中D是Deuterium（氘，多含一個中子的重氫），T是Tritium（氚，多含兩個中子的超重氫），He是Helium（氦），而n是Neutron（中子）；因為這是唯一一個其所需溫度沒有超過人造磁場控制能力的反應。但是中子比氦輕四倍，所以它帶出的動能也就多四倍，亦即核融合反應產生的80%能量是由中子帶走。既然我們要發電，就必須在Tokamak外面吸收這些中子，那麼Tokamak的內壁就必須對中子「透明」，所以負責維持真空的內壁再加上吸熱的水管（產生磁場的線圈可以做在水管之外，但是仍將承受部分中子輻射）將在完全沒有屏障的情形下，長期承受比核裂變反應器高出好幾個數量級的中子轟擊，其結果是這些物質必然會弱化而需要定期替換，但是在這個過程中它們也會得到放射性。也就是核裂變電厰只須要換燃料棒，而核融合電厰卻須要定期把整個帶有放射性的反應器拆掉重裝；即使在技術上有可能做到，它的價格和風険都將遠超人類所能承受的極限。所謂的ITER和現有的下一代設計都對這個問題束手無策，搞核融合的人的態度基本上是船到橋頭自然直；可是這艘船在30年前就已經撞橋沉沒，30年來拚命加大引擎，那麼不但再度撞橋是必然的，其後果也只能更為慘烈。

法國和日本競標ITER之後，法國出價最高而獲勝，日本則得到一系列的安慰獎。地點選在法國東南部的鄉下，但是距離渡假盛地French Riviera只有一步之遙。

既然核融合是未來的技術，而且永遠都會是未來技術，那麼要解決能源問題，就必須開發更先進的核裂變技術。我從十幾年前就對高溫氣冷堆情有獨鍾，所以後來很高興看到中共在這個項目上持續投資，到2012年已經正式在山東石島灣核電站開建世界第一座商業化的高溫氣冷反應堆。不過今天我將專注在永遠的未來技術上，所以以後有空再詳談這事。現在我只想指出，幾年前南非還沒有放棄高溫氣冷堆，西方的核電專家在列舉它的優點時，經常會提到它的工作溫度在攝氏1000度左右，剛好是對水進行電離分解效率最高的溫度，所以在高溫氣冷堆發電站有熱有電，最適合建設氫氣厰，而用氫氣來替代汽油、柴油、天然氣和煤等等化石燃料的「氫氣經濟」（「Hydrogen Economy」）則是某些人心中解決能源供應、大氣污染和全球暖化的一舉多得方案。氫氣燃燒之後只產生水，因此是完全零污染的。此外氫氣不像化石燃料一様需要效率一般在40%左右的熱機（Heat Engine），而可以通過燃料電池以極高的效率轉化為電能。全球第一個根據這個構想而開始生產的商業化產品是Toyota的Mirai氫氣動力車，2014年十一月在洛杉磯車展正式公開，同年十二月15日在日本開始銷售，預計2015年只出產700輛，但是Toyota認為它會是下一代的技術主力，前途不可限量，所以還特別請了日本總理安倍晉三做代言人，對其重視的程度不言可喻。

Toyota的這個商業戰略賭注，有很明顯的脈絡可循：Toyota在1995年的東京車展公開了世界第一輛商業化的混合動力車輛Prius，1997年開始正式銷售，此後18年Prius不但佔有全球混合動力車輛銷售量的一半以上，對Toyota的品牌價值也有極大的貢獻，幫助它一舉超越VW和GM成為世界第一大汽車生產商。不過到現在每個稍有規模的全球性汽車公司都已經有了自己的混合動力技術，而Toyota卻很明顯的在近年減低了對這方面的投資，以致當所有的競爭對手都已採用更先進的鋰電池，2015年的Prius基本型仍然在用鎳氫電池。從Toyota的角度來看，混合動力車輛的技術已經成熟普及，市場也趨於飽和，與其殺價血戰，不如早對手一步，另闢新戰場。這個思路和Nintendo一様：在Wii那一代，Nintendo避開繪圖馬力的競賽，靠著獨創的遙控器走偏鋒而戰勝了更強大的對手們；幾年之後，下一代的Wii U仍然是靠與眾不同的人機界面來吸引顧客。不過就如Nintendo的Wii U遠不如Wii那麼成功，Toyota的Mirai只怕也走上了歪路。

為什麼我不看好氫氣動力車呢？這主要是因為氫氣經濟不是一件新鮮事，一百年前就有一種交通工具大量使用氫氣，只不過不是用來作燃料；我說的就是飛艇（Zeppelin）。後來這個氫氣經濟戛然而止，原因當然是1937年的興登堡號大爆炸。做過化學實験的人或許記得，氫氣是一種極易燃、極易爆的氣體，汽油和天然氣和它比起來，幾乎像開水一様的穩定安全。飛艇用的氫氣完全是由專業人員操作的，飛艇也沒有出車禍的危険，結果還是不能解決安全問題。而鼓吹新氫氣經濟的人所想像的是把載著氫氣筒的汽車交到16歲的毛頭小夥子和90歲的老太太手裡，讓他們滿街跑；與此同時，氫氣管道必須從生產厰房一路埋到大街小巷的各個加油站。其結果必然是車禍衝撃到燃料箱就有劇烈爆炸，道路施工錯挖管線就會連環氣爆；哪個現代社會會願意花大銭來換裝一個使人口死亡率成倍增加的危険技術呢？燃料電池是個很有前途的新科技，但是它必須使用碳基燃料，例如甲醇（Methanol）或乙醇（Ethanol）；這有幾個原因：1）它們遠比氫氣安全；2）它們可以從生物廢料（Bio-waste）直接生產，而氫氣必須靠電能來產生，全循環的效率低；3）它們的輸送和儲存都遠比氫氣便宜。所以雖然使用甲醇和乙醇的燃料電池技術還不成熟，最終必然還是它們才有可能（但不一定會）勝出。氫氣經濟又貴又危険，就如核融合發電一様，也只是永遠的未來技術。