【科學講堂】巧用電池化學原理 探索低溫核聚變

核聚變是太陽內部產生大量能量的過程，且不會產生難以處理的廢料，因此我們非常希望能夠在地球上重現這一過程。但我們的要求更高：太陽內部的高溫促進了核聚變的進行，然而要在地球上達到這樣的溫度並不容易，所以我們試圖完成更困難的任務——在低溫狀態（即我們較容易實現的溫度）下進行核聚變。近日，有研究運用電池的化學原理來加速低溫核聚變的發生，為這一領域開闢了新方向。今天就和各位分享一下，電池的化學原理如何與核聚變關聯起來。

顧名思義，核聚變就是把較小的原子核融合成更大的原子核，並在此過程中釋放能量。氫原子核（即單一質子）是已知最小的原子核，自然很適合作為核聚變的原料。不過，氘核作為氫的同位素，比氫核多了一個不帶電的中子，因此更容易發生融合。這意味着氘核進行核聚變所需的環境不如氫核那樣極端，所需要的反應裝置也可以更小。

例如，人類首次在實驗室中實現的核聚變，就是將一束高能氘核以光束形式射向其他含氘的金屬靶材，從而促進氘核之間的核聚變。鈀（palladium）這種金屬很適合用作該實驗的靶材，因為鈀能夠輕易擴展其晶體結構以容納更多氘核，使核聚變更容易發生。

重水可提供氘核

不過，若要在低溫下進行核聚變，就需要讓鈀靶中含有更高密度的氘核。近日就有研究團隊利用電池的特性來實現這一目標。研究人員採用銥（iridium）作為電池的陽極，鈀作為陰極，並將電池置於重水中。日常飲用水是氫與氧的化合物，而重水則是氘與氧的化合物，因此重水可為實驗提供氘核。

與一般電池相同，電子在電池中流動會促使陰極和陽極發生不同的化學反應，從而改變該處的物質組成。當電子被電池推向陰極時，會將陰極附近的重水分子「拆解」，從而分離出更多氘核。

這些氘核會被陰極的鈀金屬吸收，形成高密度氘核環境。該研究將氘核光束射向這樣的鈀金屬，從而實現低溫核聚變。結果顯示，此方法可使氘核之間的低溫核聚變效率提高約50%。

為進一步加速核聚變，研究人員還優化了氘核光束。他們利用高頻電流將氣態氘原子轉化為帶電的氘離子，再透過電磁場將這些氘離子加速至光速的千分之六，從而增加氘核相互碰撞並發生聚變的機率。

小結

這是低溫核聚變研究中令人振奮的一項進展，讓我們向有效的低溫核聚變又邁進了一步。不過在此實驗中，我們需投入約一百五十億瓦的能量，才能經核聚變產出一瓦的能量，因此要透過低溫核聚變獲得清潔能源，可能還有一段不短的路要走。不過，這項研究為我們開啟了新方向，期待未來能迎來新的突破。

●杜子航 教育工作者 早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。