核融合發展趨勢與機會 -威尼斯5139手机版

核 融 合 發 展 趨 勢 與 機 會

                                       台化公司化工三部

一、前言

造成地球暖化的原因之一是人類過度依賴煤、石油、天然氣等化石燃料，為解決地球暖化問題，必須減少化石燃料，剛落幕的「聯合國氣候變化綱要公約第二十八屆締約方大會(cop28）」，一百九十八國代表已達成共識，承諾「進行能源系統轉型，擺脫化石燃料」。但是預估二0五0年全球人口將成長到九十六億，而伴隨經濟成長與生活水準改善，預估能源需求將再增加百分之六十。雖然大家都有共識，努力節能減碳及開發再生能源，例如太陽能、風力與水力發電，但尋找一個穏定與無碳排的替代能源，減緩地球暖化與氣候變遷的威脅，有其迫切性。

傳統核能的應用，因其接近於無碳排能源，相當程度可以解決地球暖化問題，但是其安全性、放射性污染及核廢料難題，在經歷幾次世界級的核災事故後，普遍的認知與氛圍是談核色變。然而在第二十八屆氣候峰會中，美國氣候特使凱瑞啟動一項國際核融合參與計劃，這種無碳排科技可能成為未來世界能源關鍵的一部分，美國將和其他國家一起努力，加速核融合成為零碳排能源的新來源。本文想要從原子核的角度來探討傳統核反應(核分裂)與另一類型核反應(核融合)的差異，並說明核融合原理、發展趨勢及機會。

二、核反應的分類

原子核的化學反應有兩個主要類別，分別是核分裂(fission)與核融合(fusion)，說明比較(如表一):

表一:核分裂與核融合說明比較

現在的核能電廠能源來自於核分裂反應，它是利用較重的原子核分裂成較輕的原子核，過程中會釋放出大量的能量，最常用的燃料就是鈾，它是一種高放射性物質，分裂後的產物也具有放射性，核分裂反應一旦失控會發生爐心熔毁的核災事故，而核廢料處理也是一個難題。

核融合反應是太陽產生光和熱的方式，是將兩個較輕的氫原子核經核融合反應形成一個較重的氦原子核，放出巨大的能量，它的千萬分之一能量就足以供應地球生命所需要的光和熱，而它更大的優點是没有放射性，也没有爐心熔毁的核災問題，如果未來能夠使用核融合發電，將可以徹底解決能源問題及暖化問題，就像複製一個人造太陽一樣，可以得到安全、無碳排、廉價、源源不絕的乾淨能源。

三、核融合基本原理

核融合是將兩個較輕的原子核融合成一個較重的原子核，因原子核帶正電，要讓兩個原子核接近到可以進行核融合反應，需要克服兩者之間的排斥力。所有元素中氫的帶電荷最少，故氫是最容易達到核融合反應的物質，而氫的同位素氘與氚，因為分別多了一個、與二個中子，更容易進行核融合反應，也因為需要克服的排斥力較少，釋放出的能量就會更多。氫、氦及其常見同位素的特性說明比較(如表二):

表二:氫、氦及其常見同位素的特性說明比較

核融合技術是透過上億度的高溫加熱，讓氫同位素氘與氚的原子核變成電漿狀態，最後加壓與碰撞使相斥的原子核互相結合，反應產生氦核和中子，而放出巨大的能量。由於氘在海水中有豐富的來源，而氚可由鋰在反應爐裡製備，因此核融合反應所需要的原料是無虞的。

自然界太陽的光和熱就是來自於核融合反應(反應式如圖一)，太陽的組成大約四分之三是氫（約百分之七十三）；約四分之一是氦（約百分之二十五），其他的元素包括氧、碳、氖和鐵等佔比很少。太陽中心的溫度達一千五百萬攝氏度，核心壓力達二千五百億倍大氣壓，強大的引力加上高溫，才能進行核融合反應，太陽每秒以六點二億噸的氫進行核融合反應，並在此過程中將四百二十六萬噸物質轉化為能量，是太陽光和熱的來源。

圖一:太陽內部核融合反應式

核融合反應產生的熱量是如此巨大，僅需要一公克的氫發生核融合反應，並將其中質量的千分之七轉化為能量，依愛因斯坦質能轉換公式，可釋出一萬五千億卡的熱量，足以將一千五百公噸的水煮沸。

 e = mc² = (7x10^-6 kg)(3x10⁸ m/sec)² = 6 x 10¹¹焦耳 = 1.5 x 10¹¹卡　

四、核融合主要方式

根據勞森核融合反應判斷準則(lawson’s criterion)，核融合反應條件主要取決於粒子密度、温度、和約束時間，也就是核融合反應需極高的密度及初始能量，時間維持越久，則粒子之間的碰撞機會越多，就越有利於發生核融合反應。

核融合反應的電漿温度高達幾千萬、甚至超過一億攝氏度以上，要將高速移動與高温的電漿粒子約束在反應容器裡，主要的有二種方式，分別為磁性約束、及慣性約束。磁性約束核融合是先加熱燃料，使它成為電漿形態，再利用磁場約束，並進行螺線運動，進一步加熱，直到產生核融合反應。慣性約束核融合的概念是在極短時間內，以多束高能雷射同時照射在一個燃料球上，瞬間形成高温並引發爆炸，其反作用力壓縮燃料，形成高温與高壓條件而產生核融合反應。磁性約束與慣性約束核融合說明比較(如表三):

表三:磁性約束與慣性約束核融合說明比較

五、核融合燃料發展趨勢

為得到永續的乾淨能源，燃料的來源與價格也是重要的考量，雖然氘與氚是最容易進行核融合反應的物質，但是氚有放射性會造成設備帶有放射性污染；而且氚在地球上極其稀有，需要在核反應爈裡用中子轟擊鋰製備；另外氘-氚反應會產生中子，並帶出百分之八十的反應熱，中子也會與爐壁反應，造成爐壁過熱與材料脆化問題。

要避開放射性與中子問題，氘與氦三是理想的燃料，雖然月球上有豐富的氦三貯藏量，在地球卻極其稀有，解決方式是以自然界存量豐富的氘去製造氦三，但是氘-氘反應也有一部分會產生氚與中子，所以問題並没有完全解決，只能算是減少中子與放射性的過渡性燃料。

氫與硼作為核融合燃料，不但無放射性、反應不會產生中子、存量無虞，同時價格也低廉，是發展核融合發電與提供未來廉價能源的最理想選擇，但是它的缺點是質子數過多，需要更極端嚴苛的條件才能達成核融合反應。各種核融合燃料說明比較(如表四):

表四:各種核融合燃料說明比較

六、核融合發電商轉機會

根據國際原子能總署(iaea)統計，目前全球核融合裝置共有一百三十二座，美國就佔了四分之一。國際最大型的核融合實驗反應爐iter預計二0三五年才會進行全氘-氚核融合實驗，而要達到商轉發電，還有許多問題待科學家進一步設法解決。但是核融合技術日益精進，目前全球有三十家核融合技術廠商，已經吸引總額超過六十二億美元以上的資金投入，也相當程度上說明他們的技術已經越來越接近商業運轉的門檻了，以下針對具代表性的技術進展進一步說明:

國際熱核融合實驗反應爐（iter, international thermonuclear experimental reactor）是目前正在建設世界上最大的托克馬克核融合實驗反應爐，鄰近於法國南部的卡達拉，由七個成員(歐盟、印度、日本、中國、俄羅斯、韓國和美國)資助和運行。iter的使命是展示核融合發電的可行性，目標是核融合功率達到五百萬瓦，產生增益（q值）超過十倍的能量，並驗證氚增殖(tritium breeding)的可行性。iter採用氘與氚為核融合燃料，其反應式(如圖二)與反應爐設計規格(如表五):

圖二:氘與氚核融合反應產生氦並釋出一個中子

表五:iter反應爐設計規格表

勞倫斯利佛摩國家實驗室（llnl, lawrence livermore national laboratory）

是由加州大學管轄，主要研究雷射於慣性約束核融合的應用。國家點火設施（nif, national ignition facility）是llnl所建造的世界上最大、能量最高的雷射系統，具有一百九十二束雷射，可同時在奈秒時間內擊中半徑為二毫米的固態氘氚燃料球，瞬間引發爆炸，其反作用力壓縮燃料，形成高温與高壓條件而產生核融合反應。二0二二年十二月nif得到重大核融合突破，首度達到一點五倍的能量增益，這也說明雷射技術的突飛猛進，已經成為最受關注的核融合技術。

聯邦核融合系統(cfs, commonwealth fusion systems )成立於二0 一八年，技術源自美國麻省理工學院，致力於開發托卡馬克核融合反應爐，採用氘與氚為核融合燃料。建造中的較小型反應爐sparc預定於二0二五年完成，採用新型高溫超導磁鐵技術，目標是驗證其核融合能量增益達到二倍以上。另一個反應爐arc，目標是達到核融合商轉發電，預定於二0二八年完成，已經吸引eni、google、比爾蓋茲、貝佐斯參與投資，基金規模已超過二十一點五億美元。

聯邦核融合系統採用新型高溫超導體(稀土鋇銅氧化物rebco）來製造反應爐的磁鐵，與同類的銅導電磁鐵相比，有更高的能源效率，需要投入約束磁場的電力僅為其百萬分之一，因此可以得到更多的淨能量。

tae技術(tae technologies) 成立於一九九八年，其核融合技術是採用磁場反轉配置(frc,field-reversed configuration)反應器，結合磁性約束與慣性約束的優點，可讓電漿更有效率地進行核融合反應。燃料則採用價格低廉的氫與硼(反應式如圖三)，反應不會產生放射性也不會產生中子，是未來核融合能源最被期待的清潔燃料。目前tae獲得已故微軟共同創辦人艾倫（paul allen）、google、clevron石油、美國石油大王洛克斐勒家族與高盛集團贊助，已經募得資金超過十二億美元。

圖三:氫-硼核融合反應產生三個氦粒子

tae的能源轉換技術是用感應電漿的帶電粒子直接取出電流，其能量轉換效率可達百分之九十五。以硼與氫為燃料，因硼核的電荷較多，需要更多的能量才能達到核融合條件，因此建造中的哥白尼反應器，目標是在二0三0年將電漿温度提高到十億攝氐度。

helion能源公司(helion energy, inc)也是使用磁場反轉配置(frc,field-reversed configuration)反應器，燃料則使用氘與氦三，可避開氚具有放射性與極稀有性的缺點，反應條件則比氫硼容易達到。helion也是利用感應電漿之帶電粒子直接取出電流，其能量轉換效率可達百分之九十五。二0二三年五月helion與微軟簽訂供電商業合約，是核融合發電的第一張商業訂單，將在二0二八年為微軟供應核融合電力。

• 先用氘-氘融合反應產生氦三(如圖四)，但有一部分會產生氚。

圖四:氘-氘核融合反應產生氦三和中子、與氚和氫

• 再進行氦三與氦三融合反應產生氦四與氫(如圖五)。

圖五:氦三與氦三融合反應成氦四與二個氫

七、結語

雖然核融合發電距離商業運轉還有一段距離，而世界上最大的國際核融合實驗反應爐iter要到二0三五年才會開始進行氘-氚核融合實驗，但是隨著科技與材料不斷進步，透過連續幾代托卡馬克反應器的進展，要達到核融合反應指標的三重積（密度x溫度x約束時間）已較數十年前增加了一萬倍。去年十二月美國國家點火實驗設施(nif)首度達到一點五倍的能量增益，這是核融合技術發展的重大突破，就像是點燃了終極能源聖火，核融合不只是理論上可行，而是科技已經驗證，人類可以成功駕馭，可為未來提供完美能源。

為減少温室氣體排放與避免全球平均温度上升，二0二三年歐盟委員會發佈淨零工業法案，核融合發展技術也列入其中，旨在加速實現二0三0年的歐洲氣候和能源目標。其他國家也積極推展各項措施與發展再生能源，迫切地盼望核融合能夠商轉成功，能成為低碳排能源的一種可靠來源，其中包括加拿大、英國、日本都將核融合能源列為淨零排放的長期發展策略。

為加速核融合發展，各國政府不但在政策上增加資金引導開發，也強化彼此合作關係，依核融合工業協會二0二三年統計，多家核融合新創公司總共已獲得挹注資金六十二億美元，比二0二二年增加了十四億美元。許多新創公司不斷地推陳出新，像是cfs 應用高温超導體(稀土鋇銅氧化物rebco)來製造反應爐的磁鐵，不但可縮小反應器體積，更可提高能源轉換效率；另外像tae與helion採用磁場反轉配置技術，不僅結合磁性約束與慣性約束優點，更嘗試用無中子的氘-氦三或氫-硼為燃料，為未來安全與低廉清潔能源奠定基礎。而能源轉換模式採感應電漿帶電粒子直接取出電流，轉換效率可以達到百分之九十五，完全顛覆傳統發電廠須透過渦輪發電的能源轉換模式。這些新創公司例如commonwealth與helion積極挑戰在二0二八年將核融合發電推向商轉里程碑，人類期待的潔浄能源聖杯是否真的會降臨呢?且讓我們拭目以待!

(台塑企業 台化公司提供，2024/02/29)