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• 美國國家點火設施（NIF）在去年使用慣性控制核融合，首次在可控的核融合反應中，令能量的輸出大於輸入，朝核融合產能邁進了一大步。
• NIF 將2.05 百萬焦耳（MJ）的雷射能量注入靶材，經過核融合反應產生了3.15 MJ 的能量，靶材增益為1.5。但若將產生雷射能量的耗能考慮進去，則並沒有真正的能量輸出。
• 臺灣各學校的物理系、核工系、電漿所其實都有學者針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究，期望這次NIF 的成果能推動相關領域進展。

去（2022）年12 月，美國能源部（Department of Energy, DOE）、DOE所屬的國家核安全管理局（National Nuclear Security Administration, NNSA）、勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL），以及LLNL 所屬的國家點火設施（National Ignition Facility,NIF）召開了一場記者會。在記者會中，他們共同宣布在實驗中實現增益值（gain）大於一的結果，意即實現了第一次在可控的核融合（controlled nuclear fusion）反應中，輸出的能量大於輸入的能量，朝核融合產能邁進了一大步。然而，這項結果是否代表著核融合發電即將被實現？

產生能量的核融合反應

在核融合反應中，若兩個較輕的原子核可以融合成一個較重的原子核，且反應之後的總質量減少，那麼根據愛因斯坦（Albert Einstein）質能互換的關係（E ＝mc²），減少的質量將會轉換成能量。

最容易產生的核融合反應是將氫（¹H）的兩個同位素氘（²H，或稱為D）及氚（³H，或稱為T）的原子核融合，產生一個α 粒子（即氦原子核，⁴He）加一個中子（neutron, n），同時產生17.6 百萬電子伏特（MeV）的能量：

D⁺ ＋ T⁺ → α²⁺＋ n ——公式一

在公式一的核融合反應中，兩個帶有正電的原子核必須互相靠近才能融合在一起。然而，兩個帶正電的粒子互相具有排斥力，而且愈靠近排斥力就愈大。因此，除非這兩個粒子互相靠近的速度快到排斥力無法阻止它們相撞，核融合才能發生。除此之外，還必須要考量到庫倫散射（Coulomb's scattering）的現象⸺若兩個帶正電的原子核沒有正面對撞，則兩者會因為排斥力的原因轉向⸺更增加了兩者靠近的難度。因此，只能把氘與氚氣體加熱到高溫，長時間侷限這些高溫的燃料，讓極少數高速的原子核有機會互相靠近並發生核融合反應、產生能量。但即便是最容易發生的氘加氚核融合反應，也需要將燃料加熱到50 千電子伏特（keV，約為5.8 億℃）才能有最高的反應速率。

有什麼方法可以將燃料加熱到所需要的溫度呢？看回公式一，氘與氚的核融合產物中具有能量為14.1 MeV 的中子，及3.5 MeV 的α 粒子。我們可以讓高能的中子將能量攜出後再轉換為電能，但讓帶有較少能量的α粒子保留在系統中加熱燃料。因此普遍實現核融合產能的系統，目標都是將燃料加熱到溫度約10 keV（約為1 億℃），讓核融合產生的α 粒子能繼續加熱燃料。

帶來重大進展的核融合研究

目前國際間研究的核融合反應主要可分為磁場控制核融合（magnetic confinement fusion）與慣性控制核融合（inertial confinement fusion），NIF去年的實驗便是使用間接驅動（indirect-drive）的慣性控制核融合。在這次的實驗中，當2.05 百萬焦耳（megajoule, MJ）的雷射能量注入環空器（hohlraum）〔註〕並加熱中間的球殼靶材後，經過核融合反應產生3.15 MJ 的能量，意即靶材增益（target gain）約為3.15/2.05 ＝ 1.5，是人類首次在可控的核融合反應中，輸出的能量大於輸入的能量。然而，若將產生2.05 MJ 的雷射能量考慮進去，需要耗掉的能量約為300 MJ；換言之，這次實驗的真正能量增益（energy gain）約為3.15/300 ≈ 0.01，並沒有真正的能量輸出。

註：環空器是一種腔壁與腔內達到輻射熱平衡的空腔，在慣性控制核融合實驗中燃料球會被放入環空器，再於環空器兩端孔洞射入雷射提供能量。

不過，NIF 使用的是90 年代的雷射技術，它的建造目的是為了國防研究所需，因此並不是最適合核融合的研究場域，在雷射技術上還有很大的進步空間。再者，回顧NIF 從2011 年開始進行的核融合實驗，歷經了超過十年終於第一次實現靶材產生的能量超過了雷射的能量，對NIF 而言可說是向前邁進了一大步。更重要的是，在去年的實驗中，靶材都進入了α 粒子能夠繼續加熱燃料的燃燒電漿（burning plasma）範圍，是過去核融合研究從未達到的條件，只要稍微最佳化實驗條件便能讓輸出能量有顯著的提升。因此，這次的重大突破顯示了核融合的可行性並非天方夜譚。

臺灣的核融合相關研究發展

核融合研究本身是一個複雜的系統，在科學上及工程上都有許多的挑戰，許多名字上並沒有「核融合」的研究，其實也都間接與核融合相關。以這次的慣性控制核融合為例，相關的研究就包含了雷射技術、靶材製作技術、粒子量測技術、高速攝影技術等。若以磁場控制核融合來說，也包含了高溫超導、微波技術、高壓脈衝技術、粒子加速器等科技。當然，最重要的就是電漿科學、電漿加熱、電漿量測技術等研究，因為任何材料在高溫的條件下，都會變成電漿態。

在臺灣各個學校的物理系、核工系、電漿所分別都有1 ～ 2 位老師在研究電漿相關的領域，尤其成功大學的太空與電漿科學研究所，更有針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究。然而，相較於國外蓬勃發展核融合的環境相比，臺灣投入核融合研究的人數仍然明顯不足。期盼這次NIF 的實驗成果，能夠吸引更多臺灣的學生及研究人員投入核融合的相關研究，更刺激政府、民間團體投入更多的資源在核融合研究上。