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我希望核融合變成為一種實用的能源。它將提供取之不盡、用之不竭的能源，而不會造成汙染或全球變暖。——霍金（Stephen Hawking），英國理論物理學家

去（2022）年底的兩大新聞，除了11月30日美國舊金山OpenAI公司提供了一款不但可以回答你任何問題、跟你聊天，還可以快速（以秒計）幫你寫散文、詩歌、文章的人工智能軟體ChatGPT外，再來就是核融合（nuclear fusion）了。12月13日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL）和國家點火裝置（National Ignition Facility, NIF）的科學家、能源部長格蘭霍姆（Jennifer Granholm）、總統科學顧問普拉巴卡爾（Arati Prabhakar）、國家核安全局國防計劃副局長亞當斯（Marvin Adams）等政府官員聯合宣布，他們在開發清潔能源方面實現了長期尋求的里程碑：核融合反應第一次生成的能量超過了產生它所需的能量。該實驗室的新聞稿稱這是尋求無限能源的「可能改變世界的突破」，可能「為核融合奠定基礎，有朝一日成為一種可行的清潔能源選擇。」無數媒體均以頭條新聞和緊急推送通知的形式重複這個好消息，也在許多社交媒體中流傳。

但相信許多讀者可能跟筆者一樣，總覺得這類的報導似曾相識，好像很早就已經聽過很多次了。這次的「突破」是真的嗎？還是又是一個「騙局」？

核融合的物理

在核融合反應中，兩個輕原子核合併形成一個較重的原子核；如果所得的單核質量小於兩個原始核的總質量，則多餘的質量將依愛因斯坦方程式（E=mc2）變成能量釋放出來。不過，要開始核融合並沒有那麼容易。因為同樣帶正電的兩個原子核會互相排斥，需要極高的能量（1.60×10^-13焦耳）才能使它們足夠靠近到強作用力（strong force）出現，克服它們的靜電排斥力，使它們互相吸引融合成新的原子核。與之相比，分裂的原子核處在一種不穩定的狀態，因此不需要太多的能量就能產生核分裂反應，但是它釋放出的能量大約是前者的四分之一而已。

核融合可以涉及元素週期表中許多不同元素。然而，從事核融合應用的研究人員對氘（D，原子核內有一個中子、一個質子）及氚（T，原子核內有兩個中子、一個質子）的融合反應特別感興趣。氘氚融合可以產生一個中子和一個氦核，釋放出比大多數融合反應多得多的能量：如果用足夠的能量將一個氘直接撞擊到一個氚原子核上引起核融合，產生的能量理論上可以是輸入能量的176倍。

核融合的歷史

核融合的起源來自於一個古老的問題：像太陽這樣的恆星是如何產生能量？英國極具天賦的天文學家愛丁頓（Arthur Eddington）於1920年大膽地推測恆星內部的巨大壓力將氫原子融合在一起形成了氦氣，將多餘的質量轉化為能量。

在1930年代，英國化學家拉塞福（Ernest Rutherford）和兩名合作者開始用氘進行實驗。1934年，該團隊將氘原子撞擊在一起，產生了氦及「巨大的能量爆炸」。

四年後，德國物理學家貝特（Hans Bethe）在核反應方面的研究工作使他發現了為恆星提供能量的反應：明亮恆星中最重要的核反應是碳－氮循環，而太陽和較暗的恆星主要使用質子－質子反應，並排除了其它可能的核反應。他因這項工作及在一般核反應方面的研究獲得了1967年諾貝爾物理獎。

1940年，美國政府開始資助原子武器的開發計畫，於1945年8月6日和9日相繼在日本廣島和長崎城市上空引爆兩顆原子彈：前者為核分裂原子彈；後者巨大的爆炸力則來自於不受控制的連鎖氫同位素核融合反應，開啟反應所需的極高能量（高溫）是由中心周圍之核分裂原子彈爆炸提供的。

核融合的起點：極高的能量

要使兩個氫同位素直接相撞產生融合所需要的能量，與室溫下氣體分子的平均動能4.11×10^-21焦耳相比，大約高出400萬倍！這說明了為什麼核融合一般所採用的方法是「高溫」；但氣體動能是依照馬克士威分布（Maxwell distribution），因此即使在室溫下也有一些動能非常高的分子，加上量子隧穿效應（quantum tunneling）〔註〕，所以實驗上的「高溫」實際上並不需要達到室溫的400萬倍。這事實上也說明了，為什麼核融合反應有機會在不高的溫度下產生！

〔註〕在量子力學裡，粒子具有波動性，因此可以穿透能量高於粒子動能的勢能壘。

使用高溫是一種硬碰硬的「笨」方法；化學家碰到反應很慢或不太可能進行時，總想辦法找催化劑與反應物產生中間物來降低反應屏障，反應完成後再將催化劑還原釋出。核融合有沒有類似的方法呢？有！渺子催化核融合（muon-catalyzed fusion）〔註〕可以使用非放射性氘作為燃料。隨著高強度渺子源（每次雷射發射10¹³個渺子）的最新發展，在今天在技術上和經濟上都已經是可行的。

〔註〕渺子（muon, μ）為 一電子兄弟的基本粒子，比電子重200 倍，因此與質子形成的原子體積將比較小，使兩個氫原子能在同樣的能量下靠得更近。

核融合發電的夢想

氫同位素核融合反應除了比核分裂釋放更多的能量外，不會產生有害的長期放射性廢物；加上氫或氘在自然界中既便宜又豐富〔註〕，因此是一種長期、可持續、經濟和安全的發電能源燃料，也讓核融合成為全世界先進國家追求的目標。

〔註〕因為氚可能需要核分裂反應堆來生產，加上其放射性，為一種危險材料：在生產、運輸、和燃料補給操作過程中，可能被釋放到環境中。因此氚不是一種可持續燃料；但因為氘氚燃料的「熔點」較低，所以還是被用來做核融合實驗，也是美國NIF使用的燃料。

臺灣當然也不例外，就在LLNL發表新聞後不到三個月，經濟日報也於今（2023）年2月6日登出「臺灣出現全球第一的核融合技術」，謂臺灣聚界潔能「利用自然環境中的閃電原理，在實驗室中促成質子撞擊硼元素（boron, B），進一步產生核融合後釋放能量，開創出全世界核能源的創舉」。

這類「鼓舞民心」的新聞發布到處都可見到。例如歐斯瓦特（Jackson Oswalt）在網路上購買材料、改裝，花了一年的時間埋首研究；2018年，13歲生日前夕，將自己製作反應爐成功的結果刊登到網站「開放資料核融合研究聯盟」（The Open Source Fusor Research Consortium）上。72歲的網站創辦人、溫哥華退休電子工程師赫爾（Richard Hull）認證了他的結論屬實，並認為〔註一〕歐斯瓦特是全美國、也許還是全世界，最年輕打造核融合反應爐的科學家。但是事實上，早在2008年，當時14歲的美國男孩威爾遜（Taylor Wilson）就成功地打造了核融合反應爐，有人為他寫書並拍成電影〔註二〕。

〔註一〕如果認為有名人支持就是正確的，那就大錯特錯了！在〈一手遮天的高科技大騙案：Theranos 之興衰〉一文的完結篇裡，筆者提到曾經擔任史丹佛大學（Stanford University）化工系系主任的勞伯森（Channing Robertson）認為女主角霍姆斯（Elizabeth Holmes）是可與牛頓、愛因斯坦、莫扎特或達文西相提並論的天才！哈佛大學醫學院（Harvard Medical School）也邀請霍姆斯加入享有盛名的院士委員會！去年11 月18 日，霍姆斯被判因詐騙投資者數億美元11 年又3 個月的監禁（因準備上訴未入獄）。可詳見：https://pansci.asia/archives/148221
〔註二〕他現在從事醫學、核安全、化學、核分裂相關技術。

而LLNL及NIF的核融合反應第一次產生本益比相等的新聞呢？事實上早在2015年瑞典哥德堡大學（University of Gothenburg）化學與分子生物學系教授霍姆利德（Leif Holmid）就已經在美國物理研究學會（American Institute of Physics）的雜誌上宣稱：使用氘作為燃料的持續雷射驅動核融合實驗已經達到發電量高於支出的平衡點。

宣稱核融合技術「成功」的報導實在太多了，相信筆者不知道的類似報導一定還很多！

淨能量還未實現，目前都只是在玩文字遊戲

因為這一類的報導太多了，所以事實上筆者對最近的這一個突破一點都不感興趣！但是看了臺灣又是全世界第一的新聞報導後，覺得不寫一些事實「以正視聽」是不行的。正如科學新聞記者克里維特（Steven Krivit）所說的：「實際上，結果無關緊要，NIF設備沒有實現淨能量。向新聞媒體宣傳這一結果的科學家們正在玩文字遊戲。」

前面提到氣體動能是依照馬克士威分布，因此即使在室溫下也有一些動能非常高的原子存在。我們現在就用這一個例子來看核融合科學家們怎麼玩文字遊戲。雖然可以精確算出，但我們在這裡只要談一些觀念問題，所以筆者將全用假設。讓我們假設3000℃的氣體裡面有0.1％的氫原子具有足夠的能量使氫產生融合反應；因為這些氫原子的能量比平均值高，所以它的能量占總能量的4％。因此，在家中實驗室發現少量的氫融合反應是完全可能的，不需要大做文章〔註〕。在這裡我們已經看到了96％的能量被浪費掉！因為氫融合的本益比是176，所以只要0.1％的氫原子中有0.6％產生融合反應，就可以達到收支平衡，因此也似乎不需要大做文章、發表記者會！在這裡又浪費了99.4％的能量！

〔註〕但一個13、14 歲的學生能夠在家自己設計出這樣的實驗還是值得鼓勵的。

NIF的研究人員將幾束雷射對準了一個充滿氫同位素的微小顆粒，讓這些氫同位素的原子融合在一起。他們確實測量到了反應釋出比直接注入燃料的2.05兆焦耳更多的能量（3.15兆焦耳）；但他們「忘」了提在理想情況下，只要注入0.04兆焦耳就可產生3.15兆焦耳的能量！還有，他們也「忘」了提及整個設備在實驗期間，需要大約400兆焦耳的能量來運行。這意味著它損失了大約99.2％的能量──與提供「無限」能源的「可能改變世界的突破」相去甚遠！克里維特謂：「過去幾天來，我對我的科學家同事們的行為感到羞愧」；他認為這融合「突破」只不過是一個「騙局」。

結論

從1950年代後期開始，核融合發電從一個理論、幻想的概念變成了可以觸摸的實體。這裡沒有我們不清楚的理論，要解決的只是技術的問題。以今日科技的發達，經過了半個多世紀的研究，投入了無數的人力和財力，能交出的似乎還只是白紙一張，以及超越自己地推銷一個廉價、無限能源的夢想而已，能不讓人失望嗎？這種炒作事實上不但是有害的，也是不切實際的，造成了許多評論員對核融合發電愈來愈不抱幻想。

到目前為止，NIF已經讓美國納稅人損失了至少135億美元！美國政府難道不知道嗎？事實上，NIF對美國政府的真正價值不是發展核融合發電，而是在於它能夠在不實際測試的情況下測試核武器。目前，它是美國政府可以對巨大威力的熱核融合進行受控實驗的唯一研究機構。不做些公關如何向納稅人要錢呢？

死去原知萬事空，但悲不見控氫融；科技搞定發電日，家祭勿忘告乃翁。南宋最後還是沒有「王師北定中原日」，亡國了！筆者早就放棄了對核融合發電的夢想！霍金大概也不需要怕他的家人忘了告訴他！

延伸閱讀
Krivit S. B. New Energy Times. https://www.newenergytimes.com/