Yahoo奇摩新聞 【換日線時事】美國「人造太陽」技術突破，能全面商用化嗎？
作者：Jack I.C. Huang／The World 2.0
美國能源部科學家在 12 月 13 日宣佈，在核融合技術方面取得了重大突破，人類將有機會在不遠的將來，使用「取之不盡的潔淨能源」，能源部長 Jennifer Granholm 也在記者會上表示，這是一個劃時代的成果，並可以促使更多的研究與發現。
關於這項技術，其實在台灣也有許多相關新聞，例如 2019 年媒體大幅報導，清華大學退休教授楊銀圳在一個小小的實驗室裡，就成功做出了可控的核融合實驗，只可惜這個消息後來被證實是假新聞的成分居多；更早還有台東大學的學生陳國益，也號稱在實驗室裡弄出了核融合反應，但後續也不了了之。
「核融合」到底是什麼？
這個被稱為「人造太陽」的東西究竟有什麼神奇之處？其實，人類早就掌握了這門技術，在 1953 年被當成武器做出的「氫彈」，就是首次在地球上進行的核融合反應，只不過反應過程太劇烈，因此如果想要應用在一般能源供應，重點會是如何準確控制釋放能量的過程，而非透過爆炸。
而所謂的核融合（又稱核聚變），與比較常聽到的「核分裂」不同，後者就是大家習以為常又避之不及的核電廠，主要是利用中子撞擊一顆較重的原子（例如鈾元素），重原子就會分裂成兩顆較輕的原子，過程中會釋放出能量；而核融合的原理剛好反過來，是把兩顆較輕的原子（例如氫）對撞後，強迫他們「黏」在一起，過程中一樣會放出能量，且約是核分裂的 4 倍之多。至於釋放出能量的來源，兩者皆是來自於反應過程中因原子分裂或融合所減少的質量，也就是愛因斯坦著名的質能互換公式：E = mc2。
一點點的質量轉變，所產生的能量是極其巨大的，以核電廠裡的「鈾-235」分裂為例，1 公克的鈾-235 完全發生裂變，減少的質量大約為 0.09%，也就是 0.9 毫克，卻可以釋放 810 億焦耳（J）的能量。
太多單位、專有名詞很抽象嗎？沒關係，我們換算一下，若以平均每公斤的煤標準熱值為 7,000 大卡，1 大卡約為 4,180 焦耳，則僅僅 1 公克的鈾-235 就相當於燃燒了 2.76 公噸的標準煤（可提供 22,500 度電），更別說能量釋放率更大的核融合反應了。
至於要解釋核融合，我們可以先稍稍科普一下大家在高中物理、化學課上，對微觀世界的記憶：世界萬物是由「原子」構成，它由帶負電的電子、帶正電的質子，以及不帶電的中子所組成；質子與中子在核心，電子則在外圍繞圈圈。而在量子力學的尺度下，除了電磁力之外，原子還會具備一種稱為「核力」的力量（放到巨觀的尺度，姑且比喻為星球之間的萬有引力吧），能夠對物質產生作用。
帶相同電位的粒子彼此是會相斥的，所以要強迫兩顆原子強碰在一起，必須讓「核力」大於相斥的電磁力才行。而最佳的原料，首推自然界與宇宙中存量最多的氫原子，如果我們能用極高的溫度與壓力，讓氫或重氫（氫原子的同位素：氘、氚，但在自然界中含量較少）碰撞在一起，原理其實就與太陽產生能量的原理相同，可以有源源不絕的能源，而這也是為什麼核融合又被譽為「人造太陽」的說法。
再說了，比起核分裂（現行的核電廠），核融合用氫來反應後的產物也相對「乾淨」，根據其反應公式：「氘＋氚→氦＋中子」來看，氦氣本身不具危險，雖說釋放出的中子可能會被其他物質吸收，從而導致該物質具備放射性，但也相對微量，跟鈾-235 相比，並不會對人體造成顯著的傷害。再加上，即便氚也有放射性，但半衰期只有 12 年，即便發生洩漏，似乎也還是風險可控的災難。
核融合與廣泛使用的距離
既然這麼好，為什麼核融合始終尚未全面商用化呢？原因就出在要「控制穩定的能量釋放」，實在是太困難了。
要知道，當年的氫彈試爆，也是先引發了「核分裂」，創造出足夠高溫的環境，從而才讓「核融合」能夠發生，並進一步產生連鎖反應，放出巨大的破壞性能量。
要控制這股力量以細水長流的方式釋放，目前科學界有幾種主流的做法：分別是環磁機、國家點火設施、離子束融合、緲子融合與冷融合，而近期廣受報導的美國取得的進展，就是勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）所嘗試使用的國家點火設施（National Ignition Facility）。
關於其他幾種控制核融合的方式，本文就不多贅述，推薦有興趣的讀者一本書，是由 Richard A. Muller 所著的《給未來總統的能源課：頂尖物理學家眼中的能源真相》，裡面詳盡介紹了環磁機、離子束融合、緲子融合與冷融合等的機會與挑戰。
至於國家點火設施到底點了什麼火？那並不是真的「火」，而是把 190 多束超高能量的雷射光，全部衝向一個頂針頭大小、內含氫同位素的容器中，藉此創造出近 1 億度的高溫環境，讓原子發生融合反應。
眼尖的讀者可能會發現，聚焦雷射光也是相當耗能的行為，如果用了 N+1 的能量投入，卻只產生 N 的能量輸出，那根本是在開玩笑，因此美國科學界才會如此大力宣傳此次的實驗結果，因為在他們操作的核融合反應中，產生了 3.15 百萬焦耳（MJ）的能量，大於其雷射所用能量 2.05 MJ，也首次達到了所謂的「能量淨增益」。
不過，這個說法有點偷吃步，因為這僅計算了使用雷射的「直接耗能」，但沒把驅動雷射裝置與整套系統的耗能算進去，如果以 All-in 的角度納入全部總體投入的能量，其實高達 300 多 MJ，能量轉換率只有 1% 左右，離大規模商業化還有很大的空間需要努力。
這也是 Richard A. Muller 在《給未來總統的能源課》一書中，提過的一則笑話：「核融合是未來的能源，且永遠都會是未來的能源」。當然，每次的實驗都會積累前人的經驗與努力，而隨著各國政府與民間加大投入，例如由 35 國政府集資約 220 億美元的「國際熱核融合實驗反應爐」（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）等計畫，我們相信在多個幾次「重大突破」之後，人類有機會更全面地掌握核融合技術，用於供應大多數人們所需的電力。
既然《巴黎協定》定調淨零碳排是永續發展的必要路徑，降低石化燃料與二氧化碳、提升綠能佔比自然是理所當然的事；而現階段的太陽能、風能都有「看天吃飯」的侷限性，而勉強被歐盟認列為綠能的核能與天然氣，也都有明顯的缺陷。若核融合技術可以成為再生能源的主力，對於潔淨電力的進展絕對是大大加分，就讓我們持續關注下去。
※本文由換日線網站授權刊載，原標題為《美國「核融合」技術重大突破，用之不盡的「潔淨能源」要成真了？何時能全面商用化？》，未經同意禁止轉載
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作者簡介：
Jack I.C. Huang，台北人，倫敦大學主修國際經濟與全球化管理，畢業後回到亞洲。先後任職於聯合國亞太投資貿易處（TID）與 Office of Information and Communication Technology（OICT），協助 fuel management 系統開發和支援維和部隊的運作，必要時得出差前往剛果、南蘇丹、索馬利亞與象牙海岸......。 足跡走遍世界 20 多國，曾旅居紐約、舊金山、首爾、北京、新加坡、歐洲等地。 喜歡接觸新事物，腦子裡總是有左派與右派的思想不停衝撞。
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