太陽透過核融合產生能量，提供我們日常所需的能源更孕育了地球上的生命。然而，即使超過了半個世紀、投入大量資源，物理學家仍常常笑說：「永遠只剩下 30 年就可以實現核融合發電。」終於，在 2022 年 12 月，美國能源部（Department of Energy, DOE）、DOE所屬的國家核安全管理局（National Nuclear Security Administration, NNSA）、勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL），以及 LLNL 所屬的國家點火設施（National Ignition Facility, NIF）召開了一場記者會。在記者會中，他們共同宣布該實驗室實現增益值（gain）大於一的實驗結果，意即實現了第一次在可控的核融合（controlled nuclear fusion）反應中，輸出的能量大於輸入的能量，朝核融合產能邁進了一大步。然而，這項結果是否代表著核融合發電即將被實現？

 

產生能量的核融合反應

原子核內部蘊藏了大量能量，當核反應發生時，可以是一個較重的原子核分裂成幾個比較輕的原子核，稱為核分裂；或由兩個較輕的原子核融合成一個較重的原子核，稱為核融合。若核反應之後總質量減少了，根據愛因斯坦（Albert Einstein）的質能互換公式 E=mc²，減少的質量會轉換成能量。無論是透過核分裂或核融合產能都屬於核能，但兩者卻有天壤之別。目前已經在商轉的核反應爐便是使用核分裂的方式產生能量。雖然人類還無法透過可控制的核融合反應產生能量，但宇宙中的所有恆星都是透過核融合反應產能，最好的例子就是離我們最近的太陽。因此，核融合被視為取之不盡、用之不竭的終極能源。現在大部分已經在商轉的核分裂反應爐，是透過一個中子（neutron, n）撞擊鈾－235（²³⁵U），產生鋇（¹⁴⁴Ba）、氪（⁸⁹Kr）、三個中子，總質量減少並產生了 177 百萬電子伏特（MeV）的能量：

可以看到，每一次的核分裂反應都會產生三個中子，此中子減速後可以再與其他的鈾－235碰撞，發生更多的核分裂反應來產生能量，這個過程稱為連鎖反應。在核融合的部分，最容易產生的核融合反應是將氫（¹H）的兩個同位素氘（²H，或稱為 D）及氚（³H，或稱為 T）的原子核融合，產生一個 α 粒子（即氦原子核，⁴He）加一個中子，同時產生 17.6 MeV 能量：

與核分裂反應不同，核融合不會產生核融合反應所需要的燃料，意即核融合反應並不會如核分裂反應一樣產生連鎖反應。表一比較了核分裂與核融合兩種核反應，雖然單一次的核分裂反應可以產生比單一次的核融合反應更多的能量，但核融合反應平均每一個核子（質子及中子都稱為核子）能產生 3.5 MeV 的能量，遠高於核分裂反應平均每一個核子所產生的 0.75 MeV，也就是以相同質量的燃料，核融合可以產生比核分裂反應更多的能量。除此之外，核分裂的過程因為會出現連鎖反應，若未恰當的控制則反應爐會有熱失控的風險。再加上核分裂反應會產生高階核廢料，不斷放出輻射線產生熱能，若未適當的冷卻及儲藏也會有熱失控的風險，不但可能造成環境核汙染也可能影響動植物的健康。

 

 

雖然目前核電廠的工程技術非常成熟且安全，但在如地震、海嘯等天然災害不確定什麼時候會發生的情況下，不免讓社會大眾有安全上的疑慮。相反的，核融合反應過程中沒有連鎖反應的現象，反應後也不會產生高階核廢料，因此不管是反應的過程中或反應後的產物都不會有熱失控的現象，對環境、動植物的健康的衝擊也比較小。最後，核分裂發電廠的燃料及產物會有被做為核子彈的疑慮；而核融合在維持反應的條件上非常嚴苛，因此將核融合技術轉為武器的門檻非常高，將它武器化的疑慮又比核分裂更低了。既然核融合相對於核分裂有許多的好處，為什麼它至今仍未能實現呢？我們先來看看公式一的核分裂反應，鈾－235 的原子核帶有正電，而中子並不帶電，兩者之間並沒有排斥力，中子很容易就可以靠近鈾－235 的原子核，發生鈾－235 的核分裂反應。因此，在 1944 年的諾貝爾化學獎得主哈恩（Otto Hahn）、麥特鈉（Lise Meitner）、施特拉斯曼（Friedrich Wilhelm Straßmann）於 1938 年發現了核分裂現象後，美國曼哈頓計畫（Manhattan Project）便在 1945 年發展出第一個核子彈「三位一體」（Trinity），俄羅斯也在 1954 年發展出了第一個商用的核分裂發電廠。然而，在公式二的核融合反應中，兩個帶有正電的原子核必須互相靠近才能融合在一起。但是兩個帶正電的粒子互相有排斥力，而且愈靠近排斥力就愈大。因此，除非這兩個粒子互相靠近的速度快到排斥力無法阻止它們相撞，核融合才能發生。除此之外，還必須考量到庫倫散射（Coulomb's scattering）的現象——若兩個帶正電的原子核沒有正面對撞，則兩者會因為排斥力的原因轉向——更增加了兩者靠近的難度。因此，只能把氘與氚氣體加熱到高溫，長時間侷限這些高溫的燃料，讓極少數高速的原子核有機會互相靠近並發生核融合反應、產生能量。即便是最容易發生的氘加氚核融合反應，也需要將燃料加熱到 50 千電子伏特（keV，約為 5.8 億 ℃）才能有最高的反應速率（reaction rate）。直接將燃料加熱到 5.8 億 ℃ 是非常困難的，那有什麼方法可以將燃料加熱到所需要的溫度呢？回顧公式二，氘與氚的核融合產物中具有能量為 14.1 MeV 的中子，及 3.5 MeV 的 α 粒子。我們可以讓高能的中子將能量攜出後再轉換為電能，但讓帶有較少能量的 α 粒子保留在系統中加熱燃料。因此，普遍實現核融合產能的系統，目標都是將燃料加熱到溫度約 10 keV（約為 1 億 ℃），讓核融合反應產生的 α 粒子能夠繼續加熱燃料。

 

兩種不同的核融合方式

當物質被加熱到 1 億 ℃ 時，原子內部帶負電的電子便會脫離帶正電的原子核，形成一群帶負電的電子及帶正電的原子核混合在一起的狀態，稱為電漿（plasma）。我們可以利用帶電粒子的特性來侷限高溫的電漿，目前國際間研究的核融合反應主要可分為以下兩種：

 

➊ 磁場控制核融合

磁場控制核融合（magnetic-confinement fusion）是指當帶電粒子在磁場中移時，因為受到勞倫茲力（Lorentz force）的影響而繞著磁力線作螺旋運動（helical motion），猶如帶電粒子被侷限在磁力線上，只能沿著磁力線移動。若有一個封閉的磁力線，那麼帶電粒子便能不斷地繞著磁力線跑而被侷限住。

其中一種方式便是藉由稱為「托卡馬克」（tokamak）的環形容器產生核融合。透過環磁場線圈及沿著環形方向的電漿電流（plasma electric current），在環磁場線圈的內部形成一個扭曲但繞著環磁場線圈的螺旋磁力線（helical magnetic field），讓電漿不斷沿著螺旋磁力線移動，被侷限在環磁場線圈形狀的真空腔中但不與真空腔的腔壁接觸。最後，再將電漿加熱到 10 keV 的溫度。此核融合的方式能透過磁場將低密度（接近真空）的電漿侷限在真空腔中上百秒或更久的時間，讓高溫的氘及氚的原子核有機會互相靠近並發生核融合反應。

 

 

➋ 慣性控制核融合

慣性控制核融合（inertial-confinement fusion, ICF）是利用電漿本身的「慣性」來侷限電漿。由於粒子本身的質量不等於零，所以離開系統需要時間，只要燃料在離開系統前反應完畢，那是否被持續侷限就不重要了。因此，慣性控制核融合必須將氘與氚的燃料加熱到近 10 keV，並壓縮到高壓力（約千兆大氣壓，gigabar）及高密度，讓粒子間碰撞的頻率在極高的密度下大幅度提升，增加核融合發生的頻率。因此僅需要將系統維持 / 侷限在奈秒（ns）內，同樣能將燃料燒完。

要實現慣性控制核融合，通常會將氘及氚灌入直徑約為幾毫米（mm）、溫度低於絕對溫度 20 克耳文（K）的球殼靶材中，球殼主要由外層的塑膠或鑽石包覆內層固態的氘及氚所組成，兩層的厚度分別皆約為 100 微米（μm）。開始進行實驗時，會將高功率雷射直接照射在球殼表面，稱為直接驅動（direct-drive ICF）；或是先將球殼放置在一個環空器（hohlraum）中央，再將高功率雷射從環空器的兩側注入並照射在環空器鍍金的內層表面，金因為被雷射快速加熱後放出軟 x 射線（soft x-ray，能量約 300 電子伏特）均勻地照射在球殼表面，稱為間接驅動（indirect-drive ICF）。

無論是直接或間接驅動的慣性控制核融合，目的都是快速加熱球殼外層，被加熱的外層材料因為高溫而向外噴發，噴發的反作用力便會將尚未消蝕的球殼向內壓縮，使得球殼及球殼內部的氘和氚在被壓縮的過程中經過絕熱壓縮的過程而加熱。當中心的氘及氚溫度達到 10 keV 時，核融合反應會從中心開始發生，所產生的能量便能夠加熱被壓縮的球殼，開始由內而外透過核融合反應燃燒球殼。最後，只要不斷更換球殼靶材並重覆照射雷射，便能不斷地產生能量。

 

 

帶來重大進展的核融合研究

NIF 在去年進行的實驗便是使用間接驅動的慣性控制核融合。在這次的實驗中，當 2.05 百萬焦耳（mega joule, MJ）的雷射能量注入環空器^註並加熱中間的球殼靶材後，經過核融合反應產生了 3.15 MJ 的能量，意即靶材增益（target gain）約為 3.15÷2.05＝1.5，是人類首次在可控的核融合反應中，輸出的能量大於輸入的能量。然而，若將產生 2.05 MJ 的雷射能量考慮進去，需要耗掉的能量約為 300 MJ，換言之，這次實驗的真正能量增益（energy gain）約為 3.15÷300≈0.01，並沒有真正的能量輸出。不過，NIF 使用的是 90 年代的雷射技術，它的建造目的也是為了國防研究所需，因此並不是最適合核融合的研究的場域，在雷射技術上還有很大的進步空間。再者，回顧 NIF 從 2011 年開始進行的核融合實驗，歷經了超過十年終於第一次實現靶材產生的能量超過了雷射的能量，對 NIF 而言可說是向前邁進了一大步。更重要的是，在去年之後進行的實驗，靶材都進入了 α 粒子能夠繼續加熱燃料的燃燒電漿（burning plasma）的範圍，是過去核融合研究從未達到的條件，只要稍微優化實驗條件便能讓輸出能量有顯著的提升。因此，這次的重大突破顯示了核融合的可行性並非天方夜譚。

 

臺灣的核融合相關研究發展

核融合研究本身是一個複雜的系統，在科學上及工程上都有許多的挑戰，許多名字上並沒有「核融合」的研究，其實也都間接與核融合相關。以這次的慣性控制核融合為例，相關的研究就包含了雷射技術、靶材製作技術、粒子量測技術、高速攝影技術等。若以磁場控制核融合來說，也包含了高溫超導、微波技術、高壓脈衝技術、粒子加速器等技術。當然，最重要的就是電漿科學、電漿加熱、電漿量測技術等研究，因為任何材料在高溫的條件下，都會變成電漿態。目前臺灣各個學校的物理系、核工系、電漿所分別都有一至兩位老師在進行電漿相關的研究，尤其成功大學的太空與電漿科學研究所，更有針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究。然而，相較於國外蓬勃發展核融合的環境相比，臺灣投入核融合研究的人數仍然明顯不足。期盼這次 NIF 的實驗成果，能夠吸引更多臺灣的學生及研究人員投入核融合的相關研究，更刺激政府、民間團體投入更多的資源在核融合研究上。

 

▲NIF 的鍍金環空器。圖片提供／《科技報導》，圖片來源／National Laboratory's National Ignition Facility, Lawrence Livermore National Laboratory, public domain, Wikimedia Commons

 

註：環空器是一種腔壁與腔內達到輻射熱平衡的空腔，在慣性控制核融合實驗中燃料球會被放入環空器，再於環空器兩端孔洞射入雷射提供能量。

 

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本文轉載、修改自《科技報導》2023 年 4 月