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。

延伸閱讀：

1. 《能源系列報導》為什麼多國決定重投核電懷抱？
2. 《能源系列報導》從零開始認識核能發電：核反應爐之建置及運作
3. 《能源系列報導》從零開始認識核能發電：優點及應用
4. 《能源系列報導》從零開始認識核能發電：核廢料處理

參考資料:

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