【關鍵專訪】專家解讀「核融合」突破：離商轉發電還有多遠？可能出現比核彈更可怕的武器嗎？

在紛紛擾擾的2022年即將過去之際，美國能源部於12月13日宣布一個令人振奮的好消息：科學家在核融合研究方面取得「重大科學突破」，首度在核融合反應達成「產出的能量遠高於引發反應所使用能量」，這項研究結果未來將有助發展潔淨能源。

然而對相關領域不熟悉的大眾來說，看完新聞似乎又產生更多的問題。《關鍵評論網》採訪國立成功大學太空與電漿科學研究所的張博宇副教授，為一些新聞之外的延伸問題做出回答與釋疑。

對於還不清楚美國能源部公布消息細節的讀者，建議可以先看過這篇新聞再繼續往下閱讀：〈美國核融合研究重大突破：取之不盡零碳排終極能源，但蓋發電廠還得再等等〉。

一、核融合技術的發電廠大致上和核分裂發電哪裡不一樣？為什麼它可以達到低核災風險、低核廢料等優點？

在回答這個問題前，需要先了解核融合與核分裂兩者基礎上的差異。核分裂反應是用中子去撞不穩定的原子核，當中會不斷釋放中子引發進一步的原子核分裂反應，即產生連鎖反應；過程中原子會自動衰變，所以會不斷有能量產出。核融合則是以極高的溫度、壓力將兩個原子核擠壓在一起，迫使其融合，當中損失的質量會轉變為能量產出。

張博宇解釋：「先講核災的部分。核融合既然這麼難實現，反過來便代表說你要讓它停下來其實是容易的。只要讓它反應的條件不見之後，它馬上就停止了。假設真的不幸發生爆炸，它一脫離讓它反應的條件反應就會停止了。」

此外，核分裂在連鎖反應當中輻射會一直跑出來，而若意外產生輻射汙染，除非把汙染物去除，否則污染會一直都在。核融合若使用氚作為原料，其半衰期約為12年，若因意外造成氚釋出到環境中，其輻射劑量大約1、200年後會消失，這對於人類來講就是有限的，不是無限長的時間。而核融合在反應過程中所產生的中子雖然也會造成周邊材料具有輻射性，但和核分裂的原料相比相對較低，因此被稱做低階的輻射廢料。

二、有評論稱本次實驗的「總輸入能量」還是遠高於「雷射光發出的能量」？媒體對結果的報導是否過分樂觀？

在美國能源部的相關新聞佔據版面後，有評論者表示：

細看這則新聞，我們會發現所謂的「輸入能量」，指的是實驗中用來激發核融合反應的雷射光的能量。但是在使用電能產生雷射光的過程中，會有大量的能量耗損。也就是說，其實這個實驗的「總輸入能量」遠高於「雷射光發出的能量」。

然後所謂的「輸出能量」，基本上是核融合所產生的中子跟氦原子的動能。而要將這個動能轉化為熱能，再將熱能轉化成電能，又會有大量的耗損。也就是說，如果將這個實驗中所產生的熱能轉化成電能，那「實際輸出電能」又會遠低於「輸出的熱能」。

也就是說，這個實驗的「總輸入能量」還是高於「總輸出能量」，而且，這個「總輸出能量」還沒有轉化為電能。

當中論述的觀點是否正確？本次總輸入能量仍然比輸出的總能量大嗎？對此張博宇表示，文中論述「原則上是正確的」。

張博宇說，這次的成果屬於重大突破，但是離真正要拿來發電還有很長的距離。目前做到是說雷射射進去靶材，之後輸出的能量比原射入的雷射能量還要多，未來是否還能進一步讓相同的雷射能量可以有更多的輸出能量，並提升雷射本身能量轉換效率，好讓最原始使用的能量（用電能產生雷射光）再降低，最後才來達成最終的目標──產出的總能量大於最原始消耗的能量。

不過這次美國能源部所使用的「國家點火設施」（NIF）是1997年開始建造的，「所以它並沒有用到最新的雷射技術」，張博宇說，隨著過去這段時間雷射技術的研究進展，雷射產生效率這塊還有可以更優化的空間。

圖片來源：由 Lawrence Livermore National Security

那麼媒體與大眾對本次的消息是否過分樂觀？張博宇說：「要看你怎麼定義樂觀。假如你說這次的發表後5年內核融合就能併入電網，這件事情我不認為會發生。」

然而眼光放遠的話，相關技術的進展其實是樂觀的。核融合技術有一個點火參數，用來描述核融合的環境是否已經達到可以產生能量的條件。點火參數在過去4、50年的進步幅度，與半導體的摩爾定律一樣，呈現指數成長。

「我覺得在現在這個時間點，說未來30年會產生核融合，是蠻有機會的。」張博宇認為，這次美國能源部發表的成果是很重要的里程碑，讓核融合技術產能不再只是科學家的預測。「以這個角度來看（對核融合拿來發電）我覺得是樂觀的。」

三、後續想將核融合用來發電，相關技術還會遇到什麼樣的挑戰？

張博宇解釋，目前核融合技術分為「磁場控制核融合」與「慣性控制核融合」兩大類。若以本次美國勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL）所採用的「慣性控制核融合」來說，挑戰來源可能類似引擎中活塞運作一次輸出的能量是固定的，那轉速就需要提高才能有更高的輸出能量，想達到這樣目的會遇到的挑戰，包括：雷射系統是否能這樣高頻率的去重複使用、靶材是否能快速放到它該放的位置、能量產出後如何去蒐集？

此外，目前核融合使用的反應原子是氘加氚，「氘沒問題，但氚的產能相對是比較少的。因為氚其實並不存於自然界，目前實驗上使用的氚主要來自核分裂電廠中產生的中子來生產，未來則會透過核融合反應所產生的中子來生產所需要用的氚。」因此如何確保氚的量足夠也是需要研究的部分。「而氘加氚反應後，能量其實是以中子的方式跑出來，你要怎麼把中子轉換成電能？這也會是一個挑戰。」

四、美台皆曾有學生製出核融合反應爐，後者並提及「 人類做不出來的叫做『商轉核融合發電』」，請問這次美國的進展，已經突破相關限制了嗎？

美國曾有中學生在自家後院製出核融合反應爐，2014年時台灣也曾有大學生陳國益用五金行零件加上自製材料，製作出一個核融合反應爐。

張博宇表示，若單純說核融合反應，這件事其實不難。當時陳國益曾提及目前人類做不出來的叫做「商轉核融合發電」。對此張博宇解釋道，核融合技術應用於發電會有以下階段：

• Step.1 產能：產生的總能量要比丟進去的總能量還多。
• Step.2 商轉：雖然產生能量，但其經濟效益是否足夠？若是需要經費大到一個國家無法負擔也不行，是否比其他產能方式還便宜？抑或在來源、控制上較不受限制？要有足夠的商業價值，才能在市場上被接受。

張博宇說，以此次美國的研發進展來說，大約是在Step. 0.5，因為其實真正來說不算有產生能量，我們只知道說把能量丟到特定環境時會讓能量多出來，但是要把能量丟到那個環境，其實卻用了更多能量。（詳見上文第二點）「這個比例我們叫增益值，通常我們會要求至少要有5倍以上。這就是為什麼人類目前離核融合應用於發電的進程，約在Step 0.5、甚至0.1而已。」