五月_核能專題｜核融合技術趨勢(上)

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。

欲索取更多資訊，請點聯繫我們 —