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太陽透過核融合產生能量，提供我們日常所需的能源更孕育了地球上的生命。然而，即使超過了半個世紀、投入大量資源，物理學家仍常常笑說：「永遠只剩下30年就可以實現核融合發電。」終於，在去（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，他們共同宣布該實驗室實現增益值（gain）大於一的實驗結果，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

原子核內部蘊藏了大量能量，當核反應發生時，可以是一個較重的原子核分裂成幾個比較輕的原子核，稱為核分裂；或由兩個較輕的原子核融合成一個較重的原子核，稱為核融合。若核反應之後總質量減少了，根據愛因斯坦（Albert Einstein）的質能互換公式E=mc²，減少的質量會轉換成能量。無論是透過核分裂或核融合產能都屬於核能，但兩者卻有天壤之別。目前已經在商轉的核反應爐便是使用核分裂的方式產生能量。雖然人類還無法透過可控制的核融合反應產生能量，但宇宙中的所有恆星都是透過核融合反應產能，最好的例子就是離我們最近的太陽。因此，核融合被視為取之不盡、用之不竭的終極能源。

現在大部分已經在商轉的核分裂反應爐，是透過一個中子（neutron, n）撞擊鈾－235（²³⁵U），產生鋇（¹⁴⁴Ba）、氪（⁸⁹Kr）、三個中子，總質量減少並產生了177百萬電子伏特（MeV）的能量：

n+²³⁵U→¹⁴⁴Ba+⁹⁰Kr+3n+177MeV ———公式一

可以看到，每一次的核分裂反應都會產生三個中子，此中子減速後可以再與其他的鈾－235碰撞，發生更多的核分裂反應來產生能量，這個過程稱為連鎖反應。

在核融合的部分，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，同時產生17.6 MeV能量：

D⁺+T⁺→α²⁺+n ———公式二

與核分裂反應不同，核融合不會產生核融合反應所需要的燃料，意即核融合反應並不會如核分裂反應一樣產生連鎖反應。

表一比較了核分裂與核融合兩種核反應，雖然單一次的核分裂反應可以產生比單一次的核融合反應更多的能量，但核融合反應平均每一個核子（質子及中子都稱為核子）能產生3.5 MeV的能量，遠高於核分裂反應平均每一個核子所產生的0.75 MeV，也就是以相同質量的燃料，核融合可以產生比核分裂反應更多的能量。除此之外，核分裂的過程因為會出現連鎖反應，若未恰當的控制則反應爐會有熱失控的風險。再加上核分裂反應會產生高階核廢料，不斷放出輻射線產生熱能，若未適當的冷卻及儲藏也會有熱失控的風險，不但可能造成環境核汙染也可能影響動植物的健康。

雖然目前核電廠的工程技術非常成熟且安全，但在如地震、海嘯等天然災害不確定什麼時候會發生的情況下，不免讓社會大眾有安全上的疑慮。相反的，核融合反應過程中沒有連鎖反應的現象，反應後也不會產生高階核廢料，因此不管是反應的過程中或反應後的產物都不會有熱失控的現象，對環境、動植物的健康的衝擊也比較小。最後，核分裂發電廠的燃料及產物會有被做為核子彈的疑慮；而核融合在維持反應的條件上非常嚴苛，因此將核融合技術轉為武器的門檻非常高，將它武器化的疑慮又比核分裂更低了。

既然核融合相對於核分裂有許多的好處，為什麼它至今仍未能實現呢？我們先來看看公式一的核分裂反應，鈾－235的原子核帶有正電，而中子並不帶電，兩者之間並沒有排斥力，中子很容易就可以靠近鈾－235的原子核，發生鈾－235的核分裂反應。因此，在1944年的諾貝爾化學獎得主哈恩（Otto Hahn）、麥特鈉（Lise Meitner）、施特拉斯曼（Friedrich Wilhelm Straßmann）於1938年發現了核分裂現象後，美國曼哈頓計畫（Manhattan Project）便在1945年發展出第一個核子彈「三位一體」（Trinity），俄羅斯也在1954年發展出了第一個商用的核分裂發電廠。

然而，在公式二的核融合反應中，兩個帶有正電的原子核必須互相靠近才能融合在一起。但是兩個帶正電的粒子互相有排斥力，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。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（reaction rate）。

直接將燃料加熱到5.8億℃是非常困難的，那有什麼方法可以將燃料加熱到所需要的溫度呢？回顧公式二，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℃），讓核融合反應產生的α粒子能夠繼續加熱燃料。

兩種不同的核融合方式

當物質被加熱到1億℃時，原子內部帶負電的電子便會脫離帶正電的原子核，形成一群帶負電的電子及帶正電的原子核混合在一起的狀態，稱為電漿（plasma）。我們可以利用帶電粒子的特性來侷限高溫的電漿，目前國際間研究的核融合反應主要可分為以下兩種：

帶來重大進展的核融合研究

NIF在去年進行的實驗便是使用間接驅動的慣性控制核融合。在這次的實驗中，當2.05百萬焦耳（mega joule,MJ）的雷射能量注入環空器〔註〕並加熱中間的球殼靶材後，經過核融合反應產生了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。

不過，NIF使用的是90年代的雷射技術，它的建造目的也是為了國防研究所需，因此並不是最適合核融合的研究的場域，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，在去年之後進行的實驗，靶材都進入了α粒子能夠繼續加熱燃料的燃燒電漿（burning plasma）的範圍，是過去核融合研究從未達到的條件，只要稍微優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。

〔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。

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、粒子加速器等技術。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。

目前臺灣各個學校的物理系、核工系、電漿所分別都有一至兩位老師在進行電漿相關的研究，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。

NIF 的鍍金環空器。（National Laboratory's National Ignition Facility, Lawrence Livermore National Laboratory, public domain, Wikimedia Commons）