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2021-01-01人類能源新希望？核融合的發展與挑戰
613 期
Author 作者
周育如／中央大學光電系大三生，遊走於光電、物理、核融合與天文之間。
核融合是科學家試圖追尋的能源科技目標，但研發核融合始終面臨著各種技術的挑戰，尤其是能量輸出與輸入的比值仍舊不理想，導致該技術仍未能進行商轉。目前，核融合技術分為磁場控制核融合與慣性控制核融合兩大類，歐美各國及日本都有設立相關的研究單位。而在臺灣其實也有研究團隊進行相關的研究，雖然目前規模不比國外，但未來透過與國際院校間的合作，臺灣也有機會在核融合領域走出自己的道路。
由於不會產生連鎖反應，核融合（nuclear fusion）與它的兄弟核分裂（nuclear fission，也就是我們現在的核能發電）有所不同，常被稱為「最安全的能源」與「全人類的希望」，眾人都引頸期盼核融合發電的世代到來。然而，科學家與工程師們一再地說：「再給我20年就好！」卻遲遲未見核融合商轉的影子。究竟核融合在過去幾個20年裡發生了什麼事呢？在大型國際計畫與核融合企業百家爭鳴的年代，落後人家好幾十年的臺灣能否參加這場核融合派對呢？在《科學月刊》603期的〈改變軍事與能源的力量─核分裂與核融合〉一文中，整理了核融合原理的相關知識，而本文則想帶大家一窺核融合的發展，以及臺灣本土的核融合研究。
核融合的發展與種類
目前學界正在研究的核融合類型主要分為兩大類：磁場控制核融合（magnetic confinement fusion, MCF）與慣性控制核融合（inertial confinement fusion, ICF）。
磁場控制核融合，顧名思義，就是利用超強磁場控制住電漿的活動範圍，並使其進行融合，這也是現在研究的主流。而按照產生磁場的方式，又可分為托卡馬克（tokamak）與仿星器（stellarator）。其中托卡馬克是主流中的主流，此方法最早在1960年代由蘇聯的學者發明，其名稱是俄文「附有磁線圈的環形空腔」的縮寫。世界上較著名的托卡馬克研究計畫為國際熱核融合實驗反應爐（International thermonuclear Experimental Reactor, ITER，圖一）。此外，歐洲聯合環狀反應爐（Joint European Torus, JET）、日本的JT-60與美國的托卡馬克融合試驗反應爐（Tokamak Fusion Test Reactor, TFTR）則都是ITER的前身。另外，英國也有一家核融合企業的名稱就叫做Tokamak Energy。
圖一：想知道ITER有多大？看看中下方的藍色小人你就會知道了。（U.S. Department of Energy, public domain, Wikimedia Commons）
而較為默默無聞的仿星器，與托卡馬克構造上最大的差異在於螺旋的結構。其螺旋構造可以不間斷地讓電漿在內部碰撞與融合，就像恆星一樣，因而得到「仿星器」這個名字。國際知名的仿星器有德國馬克斯普朗克研究所（Max Planck Institute）的文德爾施泰因7-X（Wendelstein 7-X,W7-X），以及日本核融合科學研究所的大型螺旋裝置（Large Helical Device, LHD，圖二）等。……【更多內容請閱讀科學月刊第613期】
圖二：日本的大型螺旋裝置內部。（Justin Ruckman, CC BY-SA 2.0,Wikimedia Commons）