日期:2022/10/27   IAE 

核聚變是兩個輕原子核結合形成一個較重的原子核同時釋放大量能量的過程。

聚變反應發生在一種稱為等離子體的物質狀態下——一種由正離子和自由移動的電子組成的熱帶電氣體，具有不同於固體、液體或氣體的獨特特性。

太陽以及所有其他恆星都由這種反應提供動力。為了在我們的太陽中融合，原子核需要在極高的溫度下相互碰撞，大約一千萬攝氏度。高溫為它們提供了足夠的能量來克服它們之間的相互排斥。一旦原子核進入彼此非常接近的範圍內，它們之間的吸引力核力將超過電排斥並允許它們融合。為此，原子核必須被限制在一個小空間內，以增加碰撞的機會。在太陽中，其巨大引力產生的極端壓力為聚變創造了條件。

科學家們為什麼要研究聚變能？
自從核聚變理論在 1930 年代被理解以來，科學家——以及越來越多的工程師——一直在尋求重新創造和利用它。這是因為如果核聚變可以在地球上以工業規模複製，它可以提供幾乎無限的清潔、安全和負擔得起的能源來滿足世界的需求。

聚變每公斤燃料產生的能量是裂變（用於核電站）的四倍，是燃燒石油或煤炭的近四百萬倍。

大多數正在開發的聚變反應堆概念將使用氘和氚的混合物——含有額外中子的氫原子。理論上，只需幾克這些反應物，就可以產生 1 兆焦耳的能量，這大約是發達國家一個人 60 年所需的能量。

聚變燃料豐富且易於獲取：氘可以從海水中廉價提取，氚可以通過聚變產生的中子與天然豐富的鋰的反應產生。這些燃料供應將持續數百萬年。未來的聚變反應堆本質上也是安全的，預計不會產生高活性或長壽命的核廢料。此外，由於聚變過程難以啟動和維持，不存在反應失控和熔毀的風險；聚變只能在嚴格的操作條件下發生，在此之外（例如在事故或系統故障的情況下），等離子體將自然終止，很快失去能量並在反應堆受到任何持續損壞之前熄滅。

重要的是，核聚變——就像裂變一樣——不會向大氣排放二氧化碳或其他溫室氣體，因此從本世紀下半葉開始，它可能成為低碳電力的長期來源。

比太陽還熱
雖然太陽的巨大引力自然會引起聚變，但如果沒有這種力，反應發生所需的溫度甚至比太陽還要高。在地球上，我們需要超過 1 億攝氏度的溫度來製造氘和氚聚變，同時調節壓力和磁力，以穩定地約束等離子體並保持聚變反應足夠長的時間以產生比開始反應需要什麼。

雖然現在在實驗中通常可以實現非常接近聚變反應堆所需條件的條件，但仍需要改進等離子體的限制特性和穩定性來維持反應並以持續的方式產生能量。來自世界各地的科學家和工程師不斷開發和測試新材料和設計新技術以實現淨聚變能。

聚變能源的未來

從核聚變中提供能量被廣泛認為是 21 世紀的重大工程挑戰。需要做些什麼才能使聚變能在商業上可行？

我們在聚變技術發展上的立場是什麼？
核聚變和等離子體物理研究在 50 多個國家進行，並且在許多實驗中成功地產生了聚變反應，儘管迄今為止產生的能量沒有超過啟動反應過程所需的能量。專家們提出了不同的設計和發生聚變的基於磁體的機器，如仿星器和託卡馬克，但也提出了依賴激光、線性裝置和先進燃料的方法。

成功推出聚變能源需要多長時間，將取決於通過全球夥伴關係和協作調動資源，以及該行業能夠以多快的速度開發、驗證和鑑定新興聚變技術。另一個重要問題是同時發展必要的核基礎設施，例如與實現這一未來能源相關的要求、標準和良好實踐。

經過10年的全球組件設計、場地準備和製造，世界最大的國際聚變設施法國ITER於2020年開始組裝。ITER是一個旨在展示聚變科技可行性的國際項目 能源生產和證明未來發電示範聚變發電廠的技術和概念，稱為 DEMO。 ITER 將在本世紀下半葉開始進行首次實驗，併計劃於 2036 年開始進行全功率實驗。

不同國家的 DEMO 時間表各不相同，但專家們的共識是，到 2050 年可以建造並運行一個發電的聚變電廠。與此同時，許多私人投資的商業企業也在開發聚變電廠的概念方面取得了長足的進步，多年來公共資助的研究和開發產生的專有技術，並更快地提出聚變能。

國際原子能機構的作用是什麼？
IAEA 長期以來一直處於國際聚變研究和開發的核心，最近開始支持早期技術開發和部署

國際原子能機構於 1960 年創辦了《核聚變》雜誌，以交流有關核聚變進展的信息。該期刊現在被認為是該領域的領先期刊。原子能機構還定期出版 TECDOC 和關於聚變的宣傳和教育材料。
第一屆國際原子能機構聚變能會議於 1961 年舉行，自 1974 年以來，原子能機構每兩年召開一次會議，以促進討論該領域的發展和成就​​。觀看有關本次會議系列歷史的短片
自 1971 年以來，國際原子能機構國際聚變研究理事會一直是促進聚變研究國際合作的催化劑。
ITER 協定交存於 IAEA 總幹事。 IAEA 與 ITER 組織之間的合作於 2008 年通過合作協議正式確定，並於 2019 年擴大和深化。
原子能機構促進世界各地示範項目活動的國際合作與協調。
國際原子能機構就聚變科技開發和部署相關主題開展一系列技術會議和協調研究活動，組織和支持聚變教育和培訓活動。
國際原子能機構維護用於聚變能源研究的基礎數據數字數據庫，以及聚變裝置信息系統（FusDIS），該系統彙編了世界各地運行、在建或計劃中的聚變裝置的信息。
國際原子能機構正在開展一個項目，該項目涉及核裂變和聚變用於能源生產的技術開發協同作用，以及長期可持續性（包括放射性廢物的處理）以及聚變設施的法律和製度問題。
國際原子能機構正在研究涵蓋聚變設施整個生命週期的關鍵安全方面，其中需要指南和具體的參考文件。
原子能機構正在支持一個通用聚變示範工廠的預可行性研究。

 

《能源系列報導》從零開始認識核能發電：核融合的技術與挑戰

如果核能電廠說來說去總離不開「放射性廢棄物」的處理疑慮，那這個世界上有沒有發電效率堪比現行的核能發電，但又不會產生那麼多「放射性廢棄物」的發電方法呢?其實答案就在我們抬頭就看到的太陽裡。這裡說的不是太陽能，而是科學家口中的小太陽 — 核融合。目前商業核能發電設施利用的幾乎都是核分裂，想要穩定的核能，也許核融合更值得嘗試。

核融合技術大約在1950年代初試驗成功，一直是個人類終極能源的方向。核融合技術到底是為什麼這麼吸引人？

核融合的原理

核融合是將兩顆輕的原子核結合後，產生出一顆較重的原子，並在結合的過程中，因為較重的原子的質量會略有損失而釋放出能量的反應。核融合簡單來講，就是像氫或者氘（音同刀）、氚（音同川）的原子核，經過融合，變成一些像是氦的原子核等較重的原子核，同時放熱的過程。這種反應是大質量星球發光發熱的主要能量來源，也是氫彈的威力主因。因為兩顆原子核同樣各自帶正電，所以要把兩顆帶正電的原子核融合在一起是非常困難的，原因是把兩個原子核結合在一起時，會有一股相斥的電磁力必須要先克服，稱為庫侖障壁。如果兩顆輕的原子核有足夠的動能或承受了足夠的壓力而足以克服電磁力的壁壘障礙時，接近到核力可以發揮作用的距離，就可以使得兩顆原子核間的核力影響大於電磁力，才會黏在一起，產生一個更重的原子核，核融合就發生了。

 

在探索新能源的路上，人們把希望投向效果更好的核融合。與核能發電不同的地方是，核能發電運用鈾元素分裂時的質量損失，來製造能源。而核融合運用原子核加總的力量，讓兩顆輕的原子核緊靠在一起，來產生反應。但是，因為任何的原子核本身都帶有正電，所以必須運用高達上億度的高溫環境，而且還要維持夠長的時間，讓原子核游離成電漿狀態，使相斥的原子核可以互相靠攏在一起。而這項超高溫的電漿化技術正是核融合發電最難克服的技術之一。與核分裂相比，核融合同樣能放出巨大能量，且核融合產生的廢料更容易處理。通常是使用氫的同位素例如氘、氚核作為融合原料，這些成分在自然界的水中含量豐富，不會有開採耗盡的問題。

 

核融合的原料

 

理論上任何兩個輕原子核都能黏在一起產生能量。但質子愈多原子序愈高的元素，原子核間的排斥力就愈大，將其黏在一起的條件也就愈苛刻，所以大部份的研究都放在最輕的幾種元素上。核融合目前最有前途的原料組合包括氘-氚融合法、氘-氘融合法、質子-硼融合法、和氘-氦-3融合法4種。

 

氘-氚融合法

氘-氚融合反應的原料，是一顆質子一顆中子的氘，和一顆質子兩顆中子的氚。如《從零開始認識核能發電：核反應爐之建置及運作》一文所述，這兩者都是氫的同位素。反應之後的產物是氦-4、一顆中子和能量。因為有反應溫度低，容易達成的優點，氘-氚融合反應目前應該是所有核融合反應中最有商業前途的一個。兩種原料中，氘是一種自然界穩定存在的物質，從自然界的水中取得的重水裡就有氘，來源不是問題。但氚是放射性同位素，半衰期只有12.3年，所以自然中含量有限，但可以由鋰的人工核滋生反應而得，算是目前最容易的來源。

氘-氘融合法

氘-氘融合法的優點是只用氘和氘反應，所以來源不是問題，原料沒有枯竭的風險。氘-氘融合法可能會產生氚、氦-3、質子和中子，所以產物氚還可以再回頭和氘進行前述的氘-氚融合反應，所以有可能可以靠中間產物氚持續進行氘-氚融合法與氘-氘融合法的混合反應。

質子-硼融合法

質子-硼融合法是直接拿質子去轟擊硼最常見的同位素硼-11，並產生三個氦原子核。這種反應的優點是不會產生中子，免除了新生中子衍生的放射性同位素汙染分離處裡的問題。

氘-氦-3融合法

氘-氦3融合法會產生帶正電的質子。如果利用電磁場的禁錮力，可以讓質子不會亂跑。其餘的產物是氘、氦-3和氦-4，都是無輻射的物質，所以這種反應的優點是產物相對比較乾淨。氘-氦-3融合法還有幾個額外的好處。首先，反應產生的質子可以用非熱力的方式進一步發電。其次，這種融合法產生的能量收益還不錯。最後，這個融合法的條件，還在發展中的磁力型和雷射型核融合反應爐的能力之內。因此，被認為是可以在真正的無中子核融合出現前，作為一種過渡的技術。

核融合的困難

 

如前所述，核融合的困難點在於要如何克服原子核間相斥的電磁力，這也是核融合至今還未成功商業化的主因。在太陽的內部和氫彈這兩個已知的實例中，都是靠特別的原因，讓物質處於極高的溫度下。例如，太陽是因為極大的質量產生的重力聚合效果，使得物質像洋蔥一樣層疊壓縮，而造成內部產生極高的壓力，而足以克服帶正電的原子核間相斥的電磁力，讓核力大到能黏住兩顆帶正電的原子核，並因此持續的進行核融合反應。另一方面，氫彈則是因為用核分裂來製造高壓高熱的環境，使得核分裂的爆炸力能轉為足以克服帶正電的原子核間的斥力，再藉由極高的壓力使得核融合的條件能達成。

 

目前有兩種看起來比較有希望的核融合方法，可以在核融合反應爐中產生這種超級高壓高熱的環境，以利維持核融合反應的發生。其中一種可行的方式是利用甜甜圈型的電環造成強大的磁場，可以將帶正電的原子核壓縮禁錮在反應爐的中心，並且以磁場產生足以發生核融合反應的環境。這種核融合反應爐的技術障礙在於如何持續提供大量的電能，以維持理論上能讓反應爐「著火」的高溫，直到核融合反應能發生，並開始有額外的能量產出。就像是要維持火柴的火苗持續燃燒，直到木炭著火能自行燃燒一樣。

 

另一種可行的方式，是借助雷射的力量來點燃核融合所需要的火苗。核融合燃料會先被製成針頭般大小的丸粒，並將雷射的能量由四面八方聚焦到這個目標上。當雷射聚焦到燃料丸粒的表面時，雷射的能量會像放大鏡聚焦太陽光讓紙張冒煙一樣瞬間引爆燃料丸粒的表面。引爆會產生震波。從物理的角度來看，震波就是一種壓力的傳遞。如果控制得宜，爆炸產生的震波可以均勻又同步地從表面傳到丸粒中，在傳遞過程中因表面積逐漸縮小而造成壓力逐漸增加，直到壓縮到核心的燃料足以點燃核融合反應。核融合反應一旦發生，連鎖反應會再向外擴及整個燃料丸粒，於是產生大量的能量。

 

既然核融合發展技術這麼艱難，為什麼還會被認為有發展潛力呢？原因就在於核融合發展技術的發電原料在自然界中存量豐富。而且核融合反應後的放射線，比現在所謂的核電相對低很多，所以不會有廢料放射性的安全問題。核融合需要克服的技術還很多，目前還處在實驗的研究階段，需要有企業家的贊助與科學家的智慧一起攜手為人類的福祉努力；好消息是，已經有企業家與科學家一起攜手在地球的環境下創造出「人造太陽」的合作計畫。

 

什麼是「人造太陽」？

 

「人造太陽」指的是模擬太陽環境的核融合反應裝置。反應過程產生巨大的能量，來模擬太陽等恆星內部的核融合反應，所以這種核融合反應裝置被稱為「人造太陽」。根據科技新報的報導，不久前比爾蓋茲、谷歌和許多私募股權公司等投資成立的核融合公司（CFS），開始著手建設核融合反應爐。目前技術上來說，可行性較大的可控核融合反應裝置，是被稱為超導托克馬克的技術。這是一種利用磁場控制核融合的環形容器，例如國際熱核融合實驗反應爐（ITER）就是這種裝置，在2020年正式進入最後安裝階段。而核融合公司的研究裝置也是基於超導托克馬克所設計的技術。雖然目前對此反應爐裝置設計及具體方案沒有太多詳細資訊，但證明了有企業家願意贊助與科學家一起攜手為人類的福祉努力。【王欣一／北美智權 專利工程師】