May_Nuclear Energy｜Trends in Nuclear Fusion Technology(Upper)
At the end of April 2024, the WEST Tokamak reactor at the Cadarache Nuclear Energy Research Center in the south of France reported a continuous reaction for more than six minutes, producing a Q value 1.15 times higher than the input energy, bringing back the importance of nuclear fusion, which has always been considered as the ultimate clean energy source. However, what are the challenges that need to be overcome in the development of nuclear fusion and how far is this technology from commercialization? In this article, we will look at how long it will take for this ultimate energy solution, which is believed to be based on the same principles as stellar heating, to reach our world, in terms of its principles, comparisons of current technologies, challenges encountered in nuclear fusion, and future trends in the nuclear fusion industry.
1905年在愛因斯坦的「論運動物體的電動力學」論文中，質能方程式E=MC2首次被提出，揭示了質量與能量之間的對價關係，公式中的E 代表能量（Energy），M 代表質量（Mass），C 則是光在真空中的速度（Speed of Light）。由於光速為平方高達 9 × 10¹⁶ m/s，意味著即使是僅以微小的質量作質能互換，轉化時也能產生巨大的能量，(ex: 例如1克的物質完全轉化為能量時，所釋放的能量相當於2.5萬噸當量的TNT炸藥)。因此，當1942年，恩里科·費米（Enrico Fermi）在芝加哥大學成功實現了世界上第一個可控核反應後，核能技術迅速發展，最終原子彈在日本引爆震驚世界(如圖一)，不但結束了第二次世界大展，也開啟了核子時代的新篇章。
圖一 廣島原子彈紀錄照片
資料來源：紐約時報中文網 2016/5
核能主要來源於兩種核反應：「核分裂」和「核融合」。雖然都是核能應用，但這兩種反應的基本原理和能量釋放機制則有著本質上的差異。核分裂是指一顆較重的原子核分裂成較輕的原子核時，釋放出大量能量的過程。常見的核分裂材料包括鈾-235（U-235）和鈈-239（Pu-239）。當這些重原子核受到中子的撞擊時，會分裂成兩個較輕的原子核，以及2~3個中子並損失掉一些質量，這些消失的質量經由上述所提的質能轉換公式後，將釋放出大量的能量。而過程中被釋放的中子，將進一步撞擊其他原子核形成連鎖反應，持續釋放能量。
圖二 鈾-235 核分裂及連鎖反應
資料來源：財團法人善科教育基金會 2024/6
當前全球核能發電廠，絕大多數都是以核分裂技術產生巨大能量加，並加熱鍋爐中的水，進而產生水蒸氣推動渦輪發電機發電。此技術的優點在於，低碳排放、減少空氣汙染、發電能量密度高、穩定供電等。
低碳排放：由於核電廠運行僅以核原料進行核反應產生熱能，過程中不會進行氧化還原反應，因此不會產生任何碳排，有助於降低發電時的溫室氣體。
減少空氣污染：與火力發電相比，核電站運行過程中不會產生二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等空氣污染物，對於空氣品質改善有莫大幫助。
發電能量密度高： 1公斤的鈾-235在完全裂變時理論上能產生約24,000兆瓦時（MWh）的電能。而參考Energy.gov 上論文，在實際核電站運行中，由於轉換效率和其他損失，1公斤鈾燃料約能產生1,000 MWh的電能，為相同重量煤炭與天然氣的12萬倍以，且依照最新的快速反應堆技術，大自然中鈾礦雖然需要精煉，但仍夠全球使用到2500年不至匱乏。
穩定供電：相較於太陽能及風力發電等無碳排的綠能發電方式，由於只要持續添加核原料持續產生反應，便能持續發電，故不會出現日夜發電量不均，以及區域性發電量變化過大等離尖峰差異問題，發電週期穩定。
也因為如此，核能發電目前在歐洲被視為是綠能之一；此外由於在過去幾十年來各種核電技術領域的持續研發，能提供價格低廉、穩定持續，且可預測的電力輸出，亦不受天氣及燃料來源的影響。雖然核分裂發電的優點眾多，但由於連鎖反應過程需要使用「重原子核」，無論是在反應前、反應中或反應後，參與的材料都會自發性的產生核輻射，且反應後核廢料的半衰期動輒超過上千年，因此對於核反應的安全性、核廢料的處置、對環境的傷害，以及風險的評估，一直都是核電廠被使用以來不斷受到討論的議題；也導致許多國家(包含台灣)在電力政策上對於是否在持續建立新的核電廠抱持著觀望的態度。
核融合技術是指以兩顆較輕的核子核反應，合成一顆較重的原子核的過程(如圖三)。與核分裂相同，在過程會中損失部分質量以產生巨大的能量，此反應是包含太陽等恒星散發出能量的來源。
圖三 核融合反應
資料來源：t2.gstatic
由於核融合反應大多以較氫的原子核進行，這些輕元素本身並不會產生放射性物質。此外，核融合反應後生成的新元素放射線極低，也無法成為下次反應的原料，故不會產生連鎖反應，因此可避免輻射與反應爐融熔等安全性問題。目前主流用於核融合發電的原料，氘與氚等元素在自然界中儲存量大，可以相對較低的成本取得。此外，雖然同樣屬於核能應用，但核融合反應能量密度比分裂又更高，1克的氘-氚燃料完全融合後產生的能量，相當於1萬1千桶石油；約為核分裂反應的4.5倍。可以說核融合發電包含了核分裂發電的所有優點，且沒有現行核電廠被人詬病的核廢料、安全性及核輻射等問題，也因此核融合發電被視為是終極潔淨能源。誠然，核融合發電優點眾多，但要達成核融合的條件相較於核分裂卻更為嚴苛，因此在過去幾十年來大多只存在於實驗室及可行性的討論中。同樣以氘-氚核融合反應為例，要達到核融合發電的起始條件，需加溫到至少5000萬度K，為了維持持續發電則需要達到1億度K。但即便如此，在相同的溫度條件(1億度K)下，核融合發生的機率僅為核分裂的百分之一。此外，相較於核分裂用中子撞擊重原子核，核融合過程為原子核互相靠近至足夠的距離(10-13m)才會產生，由於原子核本身帶正電，要讓帶正電的原子核相互靠近，需克服「庫倫定律」產生的排斥力(庫倫力)，其所需動能是目前主流的核分裂反應動能的20萬倍以上。綜合以上所述我們可知，為了要維持核融合條件，必定需要花費巨大能量，因此評估核融合發電是否可行，最重要的挑戰便是該技術是否滿足能量輸出大於能量輸入。
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