前言

在這充滿挑戰與機遇的時刻，核融合成為了全球科學家、工程師和政策制定者高度關注的新興能源形式。核融合仿效太陽的能源產生過程，透過高壓力或高溫度將輕原子核融合成更重的原子核，同時釋放出巨大的能量。太陽本身以核融合反應，不斷持續能源產出，這一自然過程激發了科學家的好奇，引發了對如何模仿太陽以實現清潔、永續能源的深入探討。

在這篇文章中，我們將介紹核融合的基本原理、其所帶來的優勢，以及實現核融合的挑戰和前景，同時探討核融合對解決當前能源和環境危機的潛在影響，以及如何改變未來的能源景觀。核融合研究不僅是一種科學追求，更是為了維護地球和後代子孫的生活環境所做的努力。

1. 核融合的基本原理

1.1 核融合反應

核融合是一種將輕原子核融合成更重的原子核的核反應過程，反應過程中的質量差，依據愛因斯坦的 \(\textrm{E=mc}^{2}\) 質能互換原理，釋放出巨大的能量。通常使用氫同位素氘（音同「刀」，由一個質子和一個中子組成）和氚（音同「川」，由一個質子和兩個中子組成）作為反應燃料。最常被探討的三種核融合反應有 D-T（氘-氚）反應、D-³He（氦-3）反應，以及D-D（氘-氘）反應（圖1）。

其中，D-T反應相對於D-³He反應及D-D反應，具有較低的點燃溫度（約攝氏兩億兩千萬度），且反應產生的能量極高，引起廣泛關注。這個反應可以產生高達17,600keV的能量，相當於僅需2公克的氘和3公克的氚就能為臺灣一個家庭提供長達35年的電能（根據2022年臺灣家庭平均用電量，且假設能量轉移損耗達70%計算）。因此，D-T反應被認為是最有潛力應用於未來核融合裝置的反應。

D-³He反應是另一個備受關注的反應，相較於其他兩種反應，它不僅產生最高能量，更顯著的特性是不會釋放中子（圖1），此特性的重要性在於不會對周圍材料造成變質，也不會產生放射性廢棄物。這使得D-³He反應在核融合領域備受期待，因為它極大地減少了對環境的影響。然而，需要注意的是，氚和氦-3這兩種元素在地球上的自然界中幾乎不存在，需要人工製備，因此，氦-3的取得是另一個技術挑戰。如果成功解決這一挑戰，D-³He反應有望成為未來核融合裝置的理想選擇。

另一方面，D-D反應雖然產生的能量不如D-T反應與D-³He反應兩種反應高（圖1），但其優勢在於氘的取得相對容易，自然界海水中即富含氘，這使得D-D反應成為最常用於核融合實驗裝置的反應。通常被用作D-T反應裝置的先驅研究，以解決核融合技術和材料耐受性等基本問題，有助於推動核融合技術的發展。雖然D-D反應不適合用於核融合發電，但在研究和實驗中具有重要價值。

圖1 : 三種常被探討的核融合反應，D-T（氘-氚）反應、D-³He（氦-3）反應，以及D-D（氘-氘）反應。圖中符號代表：D：氘，T：氚，⁴He：氦，³He：氦-3（氦的同位素），n：中子，p：質子。

圖片來源：THE PROMISE OF FUSION ENERGY[1]

1.2 核融合方法

要產生核融合反應，必須克服原子核之間的電荷排斥力，這需要極高的溫度或壓力。在太陽核心，溫度高達約攝氏一千五百萬度，同時受到極高的壓力作用，這使得氫同位素的原子核能夠克服電荷排斥力，靠近彼此，從而使核融合反應自然發生。然而，地球上要達到這種高溫和高壓非常困難，且沒有材料可以作為承受核融合高溫的容器。因此，科學家主要使用兩種方法來實現核融合：磁約束和慣性約束。

磁約束利用強大的磁場來限制高溫電漿（帶電的高溫離子化氣體，會受磁場影響）的運動（圖2左），使電漿得以侷限在磁場中穩定加熱，從而進行核融合反應。這是目前研究核融合發電的主流方法，代表性裝置有托克馬克（Tokamak）和仿星器（Stellarator）。

慣性約束則利用強雷射或粒子束的高能量來壓縮和加熱燃料，進而引發核融合反應（圖2右），此種方法利用燃料的「慣性」使其無法逃逸，而被壓縮，因此得名「慣性約束」[2]，其主要目的是為了深入研究核融合反應的基本物理原理。

圖2 : 兩種主要實現的核融合的方法示意圖。左圖為利用強大的磁場來限制高溫電漿(高溫離子化氣體)運動的磁約束方法，帶電粒子依右手開掌定則，受力約束於磁場。右圖為利用強雷射或粒子束來壓縮和加熱的慣性約束方法。

1.3 核融合裝置

托克馬克是目前最廣泛應用於國際核融合研究的主要實驗裝置類型，這個名詞源自俄語，意思是「帶有磁線圈的環形腔」。其核心設計是一個環形的磁約束裝置，透過強大的磁場控制高溫電漿的運動，使電漿維持在高溫和高密度的狀態下，同時侷限在穩定的環形路徑中（圖3左），以避免碰觸到容器壁殼，從而避免腔體設備因高溫而造成損壞。另外，為實現足夠高的電漿溫度，需要從外部注入能量，通常使用微波和中性粒子束注入的方式對電漿進行加熱（圖3右），其中微波方式透過特定的波長以共振的方式增加帶電粒子的能量，而中性粒子束則是將高速的中性（不帶電）粒子注入電漿體中，以碰撞方式增加電漿能量，以「中性」的原因在於其不帶電的特性，使外部粒子能穿越磁約束系統的強大磁場進入電漿體中。因此，能量注入也會影響托克馬克內部的電漿運動，所以加熱裝置同時也是輔助電漿穩定運動的裝置。

圖3 : 托克馬克裝置的線圈與加熱裝置。左圖：利用各種不同的線圈產生複雜磁場，將高溫電漿侷限於特定區域運動。右圖：三種主要的加熱方式，歐姆加熱、微波加熱和中性粒子束注入加熱。

圖片來源：左圖："File:Schematic-of-a-tokamak-chamber-and-magnetic-profile.jpg" by S. Li, H. Jiang, Z. Ren, C. Xu is licensed under CC BY 4.0.[3] 右圖：Bojan Mavkov, ”Control of coupled transport in Tokamak plasmas. Automatic.” [4]

仿星器和托克馬克一樣，都是磁約束核融合裝置，將高溫電漿控制在封閉的循環路徑中，以維持高溫和高密度的狀態。但是仿星器的設計更加複雜，其磁場非對稱的環形，是由複雜幾何形狀的線圈所產生（圖4）。這種設計使得仿星器只需較少的能量注入，就能夠長時間穩定地維持電漿運動，簡化了電漿控制的需求。然而，這種設計的代價是結構上的複雜性大幅增加，使得設計過程更加困難，特別是在磁場線圈的設計方面。

圖4 : 仿星器以更複雜的線圈控制方式，達到長時間維持電漿穩定運動。

圖片來源：Stellarators. UMD Stellarator Group.[5]

4. 核融合的優勢

核融合作為一種未來能源形式，具有燃料充足、環保、低廢棄物、高效能與高安全性特點，使其成為應對氣候變化和未來能源需求挑戰的有望解決方案。

4.1 豐富燃料

核融合被譽為未來的能源聖杯，其最大優點之一是燃料供應的無限潛力。核融合利用氫同位素氘和氚作為主要燃料，而這些元素的來源相對充足。氘廣泛存在於自然界的海水中，而氚可以通過人工製備來取得。這種可持續的燃料來源意味著核融合不受地緣政治或資源枯竭的限制，使其成為能源供應的可靠選擇。

4.2 環保特點

在三種主要探討的核融合過程中（圖1），皆不釋放溫室氣體或其他有害氣體，主要產物是氦、氦-3、氚、質子與中子，其中氦-3和氚又可直接作為D-T反應和D-³He反應的燃料，而自由中子很快就會衰變成質子，也就是氫原子核，所以相對於傳統的化石燃料，如煤、石油和天然氣，核融合不會對大氣造成進一步的污染或加劇全球氣候變化，因此對應對氣候變化挑戰是理想之選。

4.3 低輻射風險

與核分裂技術相比，核融合過程中產生的放射性物質數量遠遠較少。唯有D-D反應會產生放射性產物氚（圖1），但其半衰期短（約12年），衰變後的產物是氦-3，如同上節所述，氚和氦-3還可以直接用作D-T反應和D-³He反應的燃料，這使得放射性產物的處理變得相對簡單，無需長期的儲存或昂貴的處理方法。

4.4 高效與天然安全

核融合反應將質量差轉化為龐大的能量，是極高效的能源轉化過程。不同於核分裂的連鎖反應，核融合裝置的高效能不會伴隨失控導致爐心熔毀的風險，這是因為核融合需要精確控制電漿運動。一旦控制有所偏差，反應就無法繼續，因此核融合裝置天生具備可靠的被動安全機制。

這些核融合的優勢彰顯了其巨大潛力，有助於應對全球性的能源挑戰，包括氣候變化、能源資源限制和廢棄物管理。

5. 核融合的挑戰

核融合技術擁有龐大的應用潛力，但也伴隨著一系列技術和科學挑戰，這些挑戰主要集中在高溫環境、材料科學、複雜控制系統以及燃料供應。

5.1 高溫高密度環境

核融合反應需要在極端的高溫和高密度條件下進行。這兩個條件對反應的成功至關重要。高溫是為了實現電漿中離子的高速運動，克服原子核之間的庫倫排斥力，這是實現核融合的基本前提。高密度的要求則在於增加粒子間碰撞的機會，提高核融合反應的效率。

在核融合裝置中，電漿的溫度需要達到數億度，比太陽核心的溫度還要高。同時，必須確保電漿具有足夠的粒子密度，使反應能夠持續進行。這些極端的條件需要輸入龐大的能量來產生和維持，這使得能源產出和輸入能量之間的比值變得至關重要。通常情況下，設施越大，能源產出比也就越高，但建造和運營這些大型設施的成本相對較高。因此，實現核融合的挑戰之一是在高溫高密度條件下取得足夠的淨能源產出，以使這一技術變得經濟可行。

5.2 材料科學挑戰

儘管核融合裝置使用磁約束來限制高溫電漿，使其不直接接觸腔體壁殼，但腔體壁殼上的溫度仍然極高。此外，為了有效地利用核融合產生的能量，必須將高溫熱能從裝置中導出。然而，這種高溫環境容易對一般常規材料造成損害，甚至導致釋放材料中的雜質進入電漿，干擾核融合反應過程。

另一方面，D-T與D-D核融合反應過程會產生中子（圖1），而中子因其不帶電的特性，不受磁場約束，大部分會穿透腔體，將能量導出裝置外。這同時也是取得核融合能量的方法之一，但少部分中子會直接轟擊腔體，導致腔體材料的分子結構變異，造成材料變質。因此，開發能夠在長期中子照射環境下保持穩定的材料變得至關重要，以減少腔體組件更換頻率，降低維護成本，是核融合技術中的另一項重要挑戰。

5.3 複雜的控制和穩定性

核融合反應的控制和穩定是一項高度複雜的挑戰。為確保高溫電漿在極端條件下保持穩定運行，需要各方面高度精密的控制，包括調整電漿的形狀、密度、溫度和組成。

電漿的不穩定性會造成能量損失，導致喪失維持反應所需的高溫條件，使反應中止，甚至可能對反應裝置造成損害。另外，電漿的極高溫度，監測儀器難以靠近，也使得直接測量電漿狀態變得困難。高溫也意味著粒子高速運動，這些特性造成控制和維持穩定的核融合反應變得非常複雜。因此，發展快速自動化的即時反應控制系統成為實現核融合技術的一個關鍵課題。

5.4 燃料供應

核融合反應需要大量的氫同位素燃料，包括氘和氚。雖然氘廣泛存在於自然界的海水中，D-D反應也只需要氘，但由於D-D反應產生的能量遠遠低於維持核融合反應所需的能量，因此為了滿足發電要求，需要依賴高產能的D-T反應。然而，氚的取得主要靠人工製備，這需要大規模的能源和基礎設施，以確保足夠的氚供應，保持燃料供應的穩定性。這涉及到協調不同的供應鏈，包括氫同位素生產、處理和儲存，並確保氚的高產能生成。

這些挑戰是實現核融合技術的關鍵問題，但科學家和工程師們持續努力克服這些挑戰，為實現清潔、可持續的核融合能源做出貢獻。

6. 國際核融合實驗設施

當前，全球各地正積極進行多個核融合實驗設施的建設和營運（圖5），旨在研究核融合技術並探索可控制核融合反應的實現。下面我們將介紹一些國際上重要的核融合實驗計畫。

圖5 :世界主要的核融合計畫分布，其中托克馬克占了一半以上

圖片來源：FUSDIS. IAEA.[6]

6.1 國際熱核融合實驗反應爐（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）

ITER是一個龐大的國際核融合研究計畫，其建設地點位於法國南部的普羅旺斯地區。作為核融合領域中最重要的國際合作專案之一，ITER集結了多個國家和地區的合作，包括歐盟、美國、中國、俄羅斯、印度、韓國和日本等（圖6）。其目標是建造一個能量輸出超過能量輸入十倍的核融合裝置，以氘和氚為燃料，該裝置選用超導線圈作為磁約束的磁場來源，這種線圈在低溫下表現出零電阻的特性，從而避免了能量損耗，大幅減少維持磁場的電力需求。ITER計畫始於1986年[7]，於2006年開始建造[8]，預計於2025年進行試運轉[9]。然而ITER計畫中並未包含實際發電，其主要目標在於證明清潔、可持續的核融合能源設施是可行的。合作國家共用資金、資源和科學知識，共同努力解決核融合的科學和工程挑戰。

圖6 : ITER會員國共同承擔組件與系統的製造責任

圖片來源：THE WORLD’S LARGEST ERECTOR SET. ITER.[10]

6.2 示範電廠（DEMOnstration power plant，DEMO）

DEMO是ITER的後續計畫，建立在ITER的基礎上。目標是利用ITER的成果和經驗，建立一個能夠發電的核融合設施（圖7），以證明核融合的商業可行性，並推動核融合電廠的實際建設。DEMO的建設將需要巨大的資金和長期時間的投入，預計在2030年前完成概念設計，後續工程建設則要到2040年以後才開始[11]。DEMO的目標產能為300~500MW[12]，同樣也是一個國際合作計畫，由多個國家和地區參與，並共同分擔財務和研發工作。一旦DEMO達到目標，核融合將成為一個可持續、清潔且大規模的能源生產方式，可以改變全球能源格局，減少溫室氣體排放，提供可靠穩定的能源供應。

圖7 : DEMO電廠情境圖

圖片來源：Europe’s DEMO WHAT IT COULD BE LIKE. ITER.[13]

6.3 JT-60SA

JT-60SA是由日本國立量子科學技術研究開發機構（National Institutes for Quantum Science and Technology，QST）開發和營運的一個重要核融合研究裝置（圖8），由日本與歐盟共同合作進行研究。它繼承了日本之前30多年的JT-60和JT-60U裝置的經驗，以超導線圈和基於負離子的中性粒子束注入（Negative ion based neutral beam injection，N-NBI）加熱方式為主要特點[14,15]，這種加熱方式相較於一般的中性粒子束注入具有更高的加熱效率。JT-60SA的研究和建造始於2007年，並於2020年竣工[16]。它使用D-D反應作為核融合反應，電漿體積達135立方公尺，是目前全球正在運行中最大的托克馬克裝置[17]。其主要任務是協助ITER進行先驅實驗，例如材料測試、超導線圈磁場控制實驗和加熱方式實驗等，對ITER的發展至關重要。

圖8：日本國立量子科學技術研究開發機構所屬的JT-60SA超導型托克馬克

圖片來源：Europe and Japan Complete JT-60SA, the Most Powerful Tokamak in the World. Fusion for Energy.[17]

除了上述提到的核融合設施，還有其他的托克馬克設施，如美國的DIII-D、英國的JET，以及韓國的KSTAR等，都專門研究核融合的各項關鍵技術，為國際核融合發展提供寶貴的研究經驗。

7. 我國的核融合研究

國科會於去年（2022年）12月中表示，臺灣已規劃投入核融合關鍵技術研究，計畫透過支持不同團隊來進行高功率雷射電漿、磁約束高溫電漿實驗及理論研究，並透過國際合作方式強化研究量能。

自今年（2023年）3月起，由國家原子能科技研究院（當時為行政院原子能委員會核能研究所）與成功大學、清華大學和國家實驗研究院高速網路與計算中心合作執行國科會的「磁約束高溫電漿研究」整合型計畫。這個計畫的目標是推動核融合技術的研發、培育核融合相關的人才，並建立國內首座球形托克馬克實驗裝置，預計命名為「FIRST」（Formosa Integrated Research Spherical Tokamak）。這將是臺灣在核融合領域邁出的重要一步，為未來核融合技術的發展和本地核融合研究打下基礎，並努力躋身於國際核融合研究的前沿，為清潔能源的實現貢獻自己的智慧和實力。

8. 結語

核融合是一項令人矚目的科學追求，它依靠將氫同位素合併成氦，釋放出巨大的能量。透過磁約束的方式，我們有望在地球上實現可控、高效的核融合反應，為我們提供清潔、可持續的未來能源。核融合不僅僅是科學的追求，更是為了我們的星球和子孫後代所做的禮物，這項技術能為解決全球能源需求、減少溫室氣體排放和保護地球環境做出重要貢獻。

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參考資料

[1] THE PROMISE OF FUSION ENERGY. (n.d.). General Atomics Fusion Education. http://fusioned.gat.com/images/pdf/promise_of_fusion.pdf

[2] Mccracken, G., & Stott, P. (2013). Fusion: Inertial-Confinement Fusion (2nd ed.). Academic Press. https://doi.org/doi.org/10.1016/B978-0-12-384656-3.00007-6

[3] S. Li, H. Jiang, Z. Ren, C. Xu, "Optimal Tracking for a Divergent-Type Parabolic PDE System in Current Profile Control", Abstract and Applied Analysis, vol. 2014, Article ID 940965, 8 pages, 2014. https://doi.org/10.1155/2014/940965

[4] Bojan Mavkov. Control of coupled transport in Tokamak plasmas. Automatic. Université Grenoble Alpes, 2017. English. ⟨NNT : 2017GREAT004⟩. ⟨tel-01483998v2⟩

[5] Stellarators. (n.d.). UMD Stellarator Group. https://terpconnect.umd.edu/~mattland/projects/1_stellarators/

[6] FUSDIS. (n.d.). IAEA. https://nucleus.iaea.org/sites/fusionportal/Pages/FusDIS.aspx

[7] ON THE ROAD TO ITER: MILESTONES. (n.d.). ITER. https://www.iter.org/proj/ITERMilestones#1

[8] BUILDING ITER. (n.d.). ITER. https://www.iter.org/construction/construction

[9] Michael Banks 2017 Phys. World 30 (1) 12

[10] THE WORLD’S LARGEST ERECTOR SET. (2014, July). ITER. https://www.iter.org/mag/4/33

[11] The EUROfusion Roadmap. (n.d.). EUROfusion. https://euro-fusion.org/eurofusion/roadmap/

[12] The Demonstration Power Plant: DEMO. (n.d.). EUROfusion. https://euro-fusion.org/programme/demo/

[13] Europe’s DEMO WHAT IT COULD BE LIKE. (2019, March 18). ITER. https://www.iter.org/newsline/-/3245

[14] Tokamak – Magnets. (n.d.). JT-60SA. https://www.jt60sa.org/wp/magnets/

[15] Auxiliary Plant – Heating. (n.d.). JT-60SA. https://www.jt60sa.org/wp/heating/

[16] Achievements. (n.d.). JT-60SA. https://www.jt60sa.org/wp/achievements/

[17] Europe and Japan Complete JT-60SA, the Most Powerful Tokamak in the World. (2020, June 25). Fusion for Energy. https://fusionforenergy.europa.eu/news/europe-and-japan-complete-jt-60sa-the-most-powerful-tokamak-in-the-world/

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