核能這東西大家應該聽到都不覺得陌生對吧，可能會聯想到電力、能源、核輻射、核爆、原子彈、車諾比、廣島等等許多東西😨，但核融合與我們目前通用的核分裂原子爐本質上有很大的不同，雖然同樣都是用來提供電力，但是其能源產生方式跟安全性卻有所差異，一個用反應棒而另一個用電漿，一個會產生高放射性物染物，另一個則是只會產生低放射性汙染物，且核融合的運作穩定非常適合用來當作電力供應來源，接下來就讓我來跟各位分享一下我所蒐集到的一些相關知識吧!!
為了怕各位看到睡著🤣，下面有快速滑到標題的按鍵，只要點一下就馬上飛到相關的位置囉!!那我們就開始囉!!👏👏
首先，我先帶大家對核融合爐是如何產生電力來點初步的了解。
反應過程:
1.高能量的中子穿透金屬璧進入覆蓋層，
2.金屬層內的覆蓋層吸收中子的能量轉化成熱能，
3.在溫度上升時，會由幫浦來注入冷卻水使溫度維持在一定值，
4.當冷卻水吸收熱能後會引入熱交換器，
5.此時幫浦會在引入水來導熱成蒸氣，
6.降溫後的冷卻水會回流至覆蓋層，然後再加熱引入交換器(初級冷卻系統)，
7.而那些產生的蒸氣會讓蒸氣機運作，並利用蒸氣能使葉片產生機械能，再把機械能透過發電機轉換成電能，
8.最後那些蒸氣機裡的蒸氣會在變成水回到熱交換加熱成蒸氣。(二次冷卻系統)
而這個就是他大致的構造，由外部加熱裝置和反應爐與場外輸出電力裝置所組成。
一個核融合反應爐的Q只要有達到50以上就符合經濟效應了。
場外輸出電力要遠大於廠內循環電力。
在反應爐心中會產生超高溫，那他是如何做到的呢?答案就是使用核反應來達成。
透過化學反應所得到的質能互換比約為1億分之一，
而透過核反應所得到的質能互換比約為1千分之一，
化學反應是由原子或分子內的原子核和電子之間作用所產生的結果。
如原子或分子的產生或消去，和原子核和電子的組合改變。
而產生能源即代表獲得能量，為放熱反應，
消耗能源就代表施加能量，為吸熱反應。
核反應是由原子核內的質子和中子之間作用所產生的結果。
如原子核的分裂或融合，和質子和中子的組合改變。
庫倫力(靜電力):原子核和電子核之間的結合作用力。
核力(強作用力):質子和中子之前的結合作用力。
氘D(重氫)與氚T(超重氫)最容易實現核融合反應，又稱DT反應。
氚是一個放射性物質，且其含量在自然界中非常稀少，但可以透過DT反應產生的中子去撞擊鋰來產生氚，而氘和鋰在水中的含量非常豐富，所以氚雖然非常稀少，但卻很好取得。
氘含量:在海中，每1m3有含有33g，總共約有4.5兆噸(4.5*1013)
鋰含量:海中約有2300億噸，礦物中約有940萬噸
一台能產生100萬千瓦的核融合爐，其每年的消耗量為:
氘約0.1噸/年，鋰約10噸/年
一般核融合反應爐心要使用電漿，是因為要獲得數億度的溫度使粒子變成為完全游離的離子，來克服彈性碰撞的問題。
所以只要溫度越高，分子平均動能就會越高，有效碰撞也會提升，這樣就能從少數的高能量離子中，獲得遠大於付出的核融合能量，和得到非常大的能源倍增率Q。
那反應爐內部的電漿是如何產生的?
電漿的產生:透過在氣體中放入兩枚電極，之後再加上電壓產生電場，當有自由電子經過電場加速後會增加其動能，只要有比游離能(原子或分子的電子達到剝離時所需能量)更大就會發生游離，並產生自由電子，再繼續循環電場加速和產出，這樣離子和電子就會呈指數增加，當此游離現在遍佈到氣體整體，就會產生電漿。
(電場強度要夠強來產生動能，而氣體壓力要低來避免電子和分子碰撞)
而在爐心內的電漿會受到幾種輻射的消耗，分別為:
制動輻射:帶電粒子和其他帶電粒子碰撞時受到制動力而放出光。
迴旋輻射:進行迴旋運動的帶電粒子，因不斷受到和本身運動方向垂直的力(加速度)，而產生電磁波。
黑體輻射:是一個假定能吸收任何波長電磁波的物體其表面所發出的電磁波。
輻射冷卻:地表的熱能轉變成電磁波向空中輻射出去，使溫度下降。
筆記本上畫的圖太醜先抱歉一下哈哈😂😂😂，但應該還是看得懂的吧~~~，接下來給大家看一下電流方向的不同會產生不同的磁力線。
磁力線中，電流同向會相吸，不同向會互斥。
極向磁場:由一個環狀電流所產生。
環向磁場:用環形線圈以圓形並列，在施加相同方向的電流來產生。
而在磁場中會受到一種力的影響而產生運動，這也是粒子動能的來源!!
帶電粒子在磁場中會受到速度和磁場兩方垂直的一力，稱為“勞倫茲力”。
且與“速度”和“磁場”及“帶電粒子電荷量的積”成正比，與帶電粒子的質量無關。
正離子與電子在電磁場中都是做圓形運動，以電場來看兩者的運動方向都相同，但以磁場來看的話兩者的迴旋方向是相反的。
為了防止電漿一直向外膨脹擴張，所以會用特別的磁場來限制他的狀態。
磁場的強度會隨中心越遠而越弱，所以使用單純的環向磁場會導致電漿往外側膨脹，因此要使用螺旋狀的磁場來中和電流，藉此來抑制向外膨脹。
磁鏡場:當帶電粒子碰到強磁場時，其垂直方向的動能就會增加，平行方向的動能就會減少，一旦平行方向的動能為零時就會開始倒退(反射)。
設計電漿的侷限能力是非常重要的，需要參考到磁場中壓力與電漿中壓力之間的比值關係。
一個在磁場中進行迴旋運動的帶電粒子會通過圓形軌道的一點無數次，而粒子的電荷量乘上通過點的次數就是電流量，產生電流又會再產生磁場。
反磁性:圓形電流會因為磁力線不斷往外擴張而使外側磁壓上升，一旦上升後就會把他推回去，使外部磁場跟內部磁場平衡。
電漿中的傳輸現象主要是靠兩種方式來產生粒子碰撞和熱與能量的流動現象:
擴散:密度高往密度低；傳導:溫度高往溫度低
平均自由行程:在帶電粒子空間中，突發性的磁場震盪或是粒子間的碰撞，所產生的大量位移平均值。
為了獲得更良好的侷限效果(保溫效果)，會使用到特殊的磁場來達成其目的。
能量侷限時間:代表在加熱停止後，溫度(電漿)下降到一定比例所需的時間，時間越長保溫效果越好，維持溫度花費的電力(能量)也較少。
若是在環形圓環(螺紋)曲面磁場中發生傳輸現象的話，帶電粒子不只會進行“迴旋運動”，還會產生“蕉型運動”及“周回運動”。
蕉型運動:因內側磁場較強而產生的磁鏡現象。
蕉形軌道:因為環向磁場的徑方向減少，造成垂直方向的漂移，使粒子軌跡脫離磁力面。
周回運動:不受磁鏡現象影響，軌跡會直接落到封閉面上。
在高溫下，帶電粒子的平均速度大，所以平均碰撞時間也長，這讓熱擴散和熱傳導的效果更佳，所以環形圓紋面的方式又稱為“古典傳輸現象”。
反應爐內的超高溫電漿不可能會憑空出現，所以他需要在一開始施加一些能量來加溫推動內部發生核反應🤓。
電漿要從一開始的低溫加熱到α粒子(內部循環加熱能量)需要考慮到幾點:
1.能量的獲取:先使用歐姆加熱再搭配追加熱達到α粒子加熱狀態。
歐姆加熱:其原理是在電漿上加入電場，只要動能增加就會產生電流流動，當離子和電子碰撞後，動能就會轉換成熱能，雖然碰撞會造成部分動能損失，但能量能夠分散到整體粒子，並使電漿溫度上升，其缺點為溫度上升電組會下降(負溫度係數NTC；半導體，絕緣體)，導致加熱能量下降，所以不能作為全部初級加熱的手段。
#線圈的電流方向和電漿電流反向，讓磁力線的磁束上增加感應電漿的電場，就能使電漿電流流通並發生歐姆加熱。
追加熱:用來克服熱傳導損失和輻射冷卻障礙，幫助達到α狀態；其方式有兩種方法:
方法一，使用“中性粒子束入射”，因為使用帶電的離子會受到磁場作用影響；所以透過離子源產生負離子束，再讓其加速到帶有高能量，接下來只要讓離子束穿透導層電漿，負離子的電子就會被剝除程不受磁場影響的中性粒子束。(在冷水中加入熱水來變成高溫水的概念)
#離子源—高速離子—中性化離子—高速中性化離子—和電漿粒子碰撞—在離子化
方法二，使用“大電力電波”，透過使用頻率接近的電磁波就能夠指定加熱與此共振的離子，只要發生共振現象，就會加速要加熱的粒子，使波的能量轉變成粒子的動能。(類似配合盪鞦韆的擺動週期擺盪就能越盪越高)
自發電流:因為蕉型運動的關係，會導致過去和回來的電子數量不平衡，使電流產生流動和碰撞來回運行的電子，只要當溫度提高後就可以減少電子和離子間的衰減，一旦達到產生自發電流時，其可以供應80%的電流，所以只要再附加20%的外加驅動電流就可以維持恆常運轉，並提升經濟性。
電流空洞:因為壓力傾斜的增加，所以自發電流對全電流的比例也增加，使形成電漿中央沒有電流流通的區域。
2.能量的損失:輻射冷卻和熱傳導的能量損失。
反應爐內能產生的溫度非常巨大，所以設計控制電漿裝置是十分重要的，畢竟如果有那麼大的能量但卻不能操控她是非常危險的😰。
太陽中心溫度約1500萬度，核融合爐心溫度則可達到2~3億度。
托卡馬克是前蘇聯所發現環形圓紋曲面型磁力電漿侷限裝置，其概念為:
1.先利用變壓器的原理產生環形圓紋曲面電漿(產生電漿)。
2.將隨時間變化的感應電流流入電漿產生磁場(產生高溫)。
3.此磁場和外部線圈因為磁場的作用讓電漿懸浮在真空容器中，並且侷限住(控制電漿)。
分界面:封閉領域和沒封閉領域的分界磁面。
磁剪:接近磁面上的磁力線會錯開。
節距:原本磁面上的磁力線與θ方向的旋轉角度，兩者的關係稱為”平均旋轉變換角”，而磁軸繞一圈產生的旋轉角度就稱為節距，只要節距都相同，電漿壓力就會都固定。
在磁場中會發生許多穩定性問題，需要針對不同的狀況用不同的手段來解決☺️!!
穩定:擁有對”擾亂”(磁場、電漿；壓力、離心力、電漿中電流的分布、電漿形狀變化等等)的回復力，及回到平衡狀態。
雷萊-泰勒型不穩定性:在重力場中，重的流體在輕的流體上面，當他們要互相均衡時，就換產生擾亂，重的往下，輕的往上，碰壞原本的平衡。
Z捏縮:電流增強，磁場就會增強，使電漿被壓縮半徑變小，一旦被壓縮就會使溫度上升。
臘腸型不穩定性:直流電流產生的磁場和他離軸的距離成反比，所以磁場從外側接近電漿表面時會越強；但因為不穩定性導致捏縮無法順利進行，因此透過一個沿電漿軸的外加磁場來抑制擾亂成長的效果。
扭結不穩定性:擾亂造成的曲折現象，透過具有導電性的防壁，可讓內側壁產生與電漿電流反向的感應電流，使兩方互斥漿電漿從牆邊推回去。
破裂不穩定性:變形後的磁面破裂，和其他磁面混合使磁面變形(磁島)。
膨脹不穩定性:會容易再曲率差的磁面處發生電漿壓力增加且膨脹，可透過磁剪方式改善。
而托卡馬克侷限裝置內的磁場設計可以幫助提升良好的侷限能力。
馬克磁場的概念:利用數個與電漿同軸的線圈流通電流，同向相吸，反向互斥。
將電漿切面設計成D型能夠承受更大的電磁力，且當短半徑跟長半徑的筆直在1.7時可以提升兩倍的Bata值(侷限能力)。
當金屬壁受到電漿發出的粒子和熱的照射時，會釋放出中性的原子和分子，這些原子和分子會不售磁場影響進入到剝離層，在與“離子”和“電子”碰撞產生“電離”。
從內部進到剝離層的電漿，會沿著磁力線流向裝置下部，即“轉離區”，再轉離前要先透過吹氣使電漿發光降溫(輻射冷卻)，然後由空氣幫浦來排出，而轉離目的是要排出氦灰和雜質來保持其純度。
能量侷限模式:
L模式:為電漿產生階段的狀態，這種沒有任何隔離層，屬於侷限效率差的狀態。
H模式:一旦開始加熱就會轉變成H模式，他會產生基架來妨礙流動熱，達到良好的局限效果。
基架(隔離層、輸送障壁):他是由電漿自己隨意所形成一溫度和密度不連續的變化區域，會妨礙熱流動產生隔離效果。
#恆常運轉(自發電流要在空間密度變化大的情況下才會流動)與H模式(溫度和密度沒有連續變化)無法兩者兼得。
最高性能的托卡馬克理想狀態:高β運轉、H模式運轉、恆常運轉，三個同時成立；其需要適當的電流分佈、壓力分佈、迴轉速度分佈(利用電漿啟動時間的控制和適當的加熱、電流驅動裝置以及燃料入射裝置)、電漿切面最佳化(用平衡線圈控制)、穩定的基架、使內部輸送障壁在負磁剪和零磁剪的邊界形成。
#若電漿附近有電阻為零的超導體，β就會增加，但外牆通常不是超導體，而是透過中性粒子或外部磁場來達到相似效果。
裂解:一旦磁島累積、β上升過度、雜質滲入等等，就會發生熱與電流急速消失的現象。
處理方法:
1.使電漿回到穩定的運轉領域。
2.讓裝置以正常的方式進入停止狀態。
3.急速停止放電(注入大量雜質使其輻射損失)。
電漿的測量方式可分類為:電磁場測量、電磁波測量、粒子測量；
MSE裝置:利用入射粒子束在橫切過磁場時，因感應到電場而發光的現象，透過他來測量磁場方向和電流分佈。
被動測量:測量電漿散發出的電磁波或粒子，來得到溫度、密度或是這些位移的範圍。
主動測量:利用雷射光、電磁波或是粒子束射入電漿，來測得店漿的反應。
ITER international Tokamak Experimental Reactor 道路(拉丁語) ，由歐盟(資助45%)、日本(9%)、美國(9%)、中國(9%)、韓國(9%)、俄羅斯(9%) ，又稱六極其參與計畫與資助，印度(9%)也是資助方之一。
其目的為證明能夠控制點火和維持恆常運轉狀態:
1.能夠輕易地使Q在10以上維持300~500秒之間。
2.達到以Q=5的恆常運轉。
3.使14meV的中子負荷總量在初級壁達到平均0.3MW年/秒3的核融合燃燒運轉。
#一個核融合場需要花費10年建設，其運轉20年後，需要花5年來處理核汙染。
(2006年計劃開始、2008~2013年場地建構完成、2015年托卡馬克開始組裝、2025年預計完成組裝並開始製造電漿、2035年計畫正式開始運行)
電漿周圍的機器會被活化並在之後產生輻射線，這些稱為“低放射廢棄物”，需要放在數十公尺到數公尺深的地底，約一百年後，輻射只會下降到一開始的五十萬分之一以下而已。
#核融合反應爐運作模式
1.環向磁場線圈持續通電 2.中心螺線管線圈加上偏壓磁場 3.供應少量氣體燃料 4.電子迴旋波作加熱電漿的火種 5.電漿電流逐漸上升 6.恆常狀態時增加氣體供給和外部加熱 7.開始核融合燃燒 8.約400秒之後燃料氣體供給和電漿電流減少 9.燃燒停止 10.電漿消失 11.完成運轉的第一個循環。
上圖為融合爐的燃料循環~~~可以看到從燃料供給到廢棄物排放與回收的流程都有完整規畫好了🥳🥳!!
而這張就是我整理核分裂原子爐與核融合爐的差異性，可以看到核融合爐明顯優秀許多。
最後的最後就是結論了，核融合可以為我們帶來甚麼好處?他真的有那麼危險嗎?其實並沒有一般人想像的那麼可怕，反而還能夠幫助世界解決許多相關議題呢!!像是人口飢荒、水資源缺乏、能源耗竭、環境污染減少等等，相信再過不久等到技術更成熟，社會大眾願意接受這項科技時，就能讓地球更加速消耗走向滅亡XD，就能讓人類的生活過得更便利更富裕🥰🥰!!
在〈新世代的永續能源”托卡馬克”是什麼??〉中有 3 則留言