核融合反應大突破全是自我感覺良好？專家揭永恆30年魔咒：不能跨過「這門檻」根本無法商轉

看完這些技術路線，我們不免又想起每次新聞總是說「核融合反應技術大突破！」，點進去發現所謂的突破，仍然是發電投入比產出的多，而且都還在秒級裡打混，如果不能像核分裂一樣，連續24小時不間斷發電，就只是自我感覺良好而已。核融合反應要能達到發電投入比產出的多，最低物理門檻就是勞森準則(Lawson Criterion)。

　　勞森準則，是三因子乘積：nTt_E≥常數

• n：電漿密度
• T：溫度
• t_E：約束時間

　　所有核融合路線基本上都在追求這三因子乘積的最大化，戲法人人會變，各有巧妙不同，如磁約束是在技術及經費可行的密度及溫度下，最大化t_E；慣性約束則是全力一擊，極大化n及T。

（圖一）磁約束技術路線各團隊的成績
資料來源：維基百科

　　圖一是傳統大型磁約束各團隊的成績，資格賽門票到手後，淨能量增益Q_DT才是晉級考驗的開始，也是科學轉工程的考驗，而真正有商轉實力的關鍵是Q_DT>10，也就是要進入圖一右上方的深橘色帶裡，才有資格拚商轉決賽。新聞常在講集全球之力、坐落在歐洲的ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)顯然已到門門，但進展越來越慢、問題越來越多，成了永恆的30年魔咒。

　　至於不在圖上的慣性約束技術路線，在2022年底美國NIF淨能量增益首度突破Q_DT>1，但那是不惜血本，等於是拿鈔票點火取暖。但NIF的突破，激起了核融合新創公司紛紛大膽實驗更前衛的做法，完全跳出了老輩的遊戲規則，尤其在AI的助攻之下，商轉可行在望。

　　要達成24小時不間斷發電，傳統的作法是如核分裂發電的穩態追求，但從過去那麼多年核電廠的幾百度操作環境，一下子跳到上億度的電漿，等於從地上的漫步，陡然要在星際間飛行，當然如西天取經般許多難關待克服。但核融合新創公司不再拘泥於暴力突破的迷思，大量運用創新方式解題，如為了要解宇宙創世紀難題的最尖端粒子加速器相關技術，大幅拿來解核融合持續發電的問題；應用高溫超導現代技術，大幅縮小工程尺寸，簡化降低工程系統難度，更有效的全系統主動冷卻；先進的耐中子損傷材料與長壽命結構；改變高溫電漿穩定機制，破除電漿崩解困境，解開Tokamak死穴；挑戰終極聖杯無中子核融合，不需蒸汽循環，直接產生電流；有些甚至乾脆採跳島戰術，每秒十次以上機關槍式的快速連發核融合反應，配上超級電容當電能的內存緩衝，也可達成長期穩定的發電輸出。 （相關報導： 核融合商轉倒數！百億美金押注「磁約束、慣性約束」兩大技術，有生之年見證發電成真 ｜ 更多文章 ）

　　這麼多新科技用來突破那麼多工程難題，其中最重要的一項仗勢就是令人瞠目結舌的快速迭代，老輩的科研突破是一步一腳印的滴水穿石功夫，而新世代是破除窠臼的狂飆，如傳統軟體工程師一行行敲鍵盤，辛苦地在萬千程式碼中除蟲，但在AI助力下，可能就是秒殺過往經年累月的成果，因為產品迭代已是完全不同境界，如美國國慶的能源部獻禮，最後一家達標臨界反應的UNITY，從計畫開始到成品只花了150天，這還包括了能源部的安全審查。這些核融合新創公司比起核分裂SMR是有過之而無不及，好些都有粒子加速器的背景及關鍵人才，AI的應用更不在話下。

　　你可能覺得很奇怪，就算是機關槍式的快速連發核融合反應，一億度也是很熱啊，而且核融合反應是磁場，磁場跟電的關係是什麼呢？

　　三千年前我們的甲骨文就有電這個字，周易說「離為火，為日，為電。」說文解字則說「電，陰陽激燿也。從雨，從申。」講的是自然界的閃電現象，基本上與現代科學的認知不謀而合，就是雨雲中冷熱水氣垂直劇烈對流運動，造成上下的正負電荷巨量失衡，當雲層中電荷累積達到臨界點產生巨大的電位差，崩潰發生強烈放電。可惜東方沒出現富蘭克林，把天上的電與地上的電連起來，幾千年來一直停留在敬天畏天的層次，終與電磁學的發展失之交臂。

　　電與磁看似不同，卻是師出同源，現代物理已把電磁合而為一，為宇宙的四大基本力：強核力、弱核力、電磁力與重力。電磁力是目前人類能真正純熟掌握的力，也是當今社會文明的基礎。電生磁是安培定律，如電磁鐵、超導磁鐵等；磁生電的發電是法拉第定律；電磁交互影響是勞侖茲力，如磁場控制電漿，電漿加溫、RFC等，這些基本物理觀念貫穿了整個核融合發電系統，註一我們給你整理相關專業的公式。

　　要控制上億度的電漿，磁場是不可缺的利器，只要能承擔很高的電流，就會有磁場，利用的是磁場，不是用電線在傳導電。我們來把磁場技術整理如下表：

（表一）各種磁場技術整理
資料來源：王曉中

*最高強度的單位為T(Tesla)，地球磁場約0.5G(Gauss)，1T=10,000G

　　上面說的高溫超導是近年深度科技(Deep Tech)領域最具顛覆性的突破之一，磁場對電漿的約束力會以強度的四次方劇增，這讓核融合反應爐的體積得以縮小到原來的數十分之一，成本暴跌，直接讓核融合商業化提早了數十年。所謂高溫並不是真的很高溫，而是相對於低溫超導那種接近絕對零度而言比較高溫，因為不需要冷卻到那麼低溫，就可以減少大量的用電。過去用傳統電磁鐵產生4T磁場，需要800 MW的大型核電，改成低溫超導只要20 MW的電力，進一步改用高溫超導，耗電又再降一個數量級，而且中國大陸已證明磁場強度可達36T。且，原本高溫超導材質脆弱，難以鑄造成複雜形狀，但3D列印的成熟，這難題已迎刃而解。

　　高溫超導材料在技術上已經成熟，當前的挑戰在於產能不足與成本過高，隨着核融合新創公司集體瘋狂掃貨，高溫超導供應鏈正在經歷如同當年半導體建廠的規模化階段，當成本因規模化而降下來後，高溫超導將會徹底重塑能源科技版圖。

　　回到一億度是不是會熱死人的問題。以一般牙醫X光，用的是七萬伏特的高壓電，加速電子獲得動能，高速電子撞擊鎢靶轉成X光，電子的動能相當於五億四千萬度，但你去看牙醫會覺得熱嗎？

　　既然核融合達到一億度不是什麼難事，發電的門檻也達到了，下一篇，我們接著來談核融合是怎麼發電的。

（註一）核融合發電相關的公式：

電生磁：電流產生磁場（安培定律的微分式）

∇→ × B→ = μ₀J→ （相關報導： 核融合商轉倒數！百億美金押注「磁約束、慣性約束」兩大技術，有生之年見證發電成真 ｜ 更多文章 ）

∇→ = 旋度（微分算符） = ∂∂xi+ ∂∂yj+ ∂∂zk

B→ = 磁場（感應）強度 [T]
μ₀ = 真空磁導率 = 4π×10⁻⁷ H/m
J→ = 電流密度 [A/m²]

電流像「河流」，磁場像「漩渦」，河流越大，漩渦越強。電磁鐵、超導磁場或核融合反應中的磁場都是這原理。

磁生電：磁場變化產生電場（法拉第定律），迴路中的感應電壓，等於穿過該迴路的磁通量變化率的負值

E = − dΦ_Bdt

E = 感應電壓 [V]
Φ_B = ∫ B→ · dA→ = 磁通量 [T.m²]
B = 磁場強度 [T]

磁通量如果相對「動」或「變」，就會產生電壓推動電子流動 ，磁通量所積分的面積是指線圈迴路框起來的部分。

當磁場固定，線圈轉動，便可產生正負交替的正弦電流，這就是交流電發電機。直流電則是加個換向器，在每半圈把線圈接線翻面， 輸出端永遠保持同極性， 變成單向直流。真正電廠大型發電機的磁鐵是電磁鐵（請見下表），因為強度高可調控，所以發電機用到電生磁及磁生電原理。

磁壓力(Magnetic Pressure)

p_B = B²2μ₀

其中磁壓力方向與磁力線垂直，單位是Pascal (Pa)或 N/m²。磁場越強壓力越大，磁壓差會造成材料變形。

磁張力(Magnetic Tension)

f_t = B²μ₀R_c

其中R_c是磁力線曲率半徑(m)，磁張力與磁力線同向，單位是Pa，彎曲的磁力線如彈性繩拉回，是磁脹感應轉換中「彈性回復力」的重要來源，也是Tokamak、FRC 約束電漿的主要內縮力。

本文經授權轉載自綠學院（原標題：核能復興十一部曲：只能維持一秒的核融合談什麼商轉？） （相關報導： 核融合商轉倒數！百億美金押注「磁約束、慣性約束」兩大技術，有生之年見證發電成真 ｜ 更多文章 ）

責任編輯／李伊晴