五月_核能專題｜核融合技術趨勢(下)

Q值是衡量核融合反應的重要指標，對評估核融合反應的效能和實現商業化具有重要意義。當Q值大於1時，表示輸出的能量超過輸入的能量，實現淨能量增益；而當Q值小於1時，表示反應過程中的能量輸出不足以彌補能量輸入，無法達到持續反應要求。

在核融合反應商業化過程中，有三個關鍵的Q值階段：

1. Q = 1：反應達到平衡點，輸出能量等於輸入能量，但無法持續進行能量產生。
2. Q > 1：反應達到淨能量增益，輸出能量超過輸入能量，可以進行持續的能量產生。
3. Q ≥ 10：實現商業化運行所需的高能量增益，通常認為Q值需要達到10或更高，以確保反應堆在實際運行中的能量效率和經濟效益。

除了能量增益外，為了啟動核融合反應，目主流的氘-氚核融合技術，如上節所述，須將溫度提升至1億度K，在如此高的溫度之下，元素中的電子將脫離電場束縛成為自由電子（電漿狀態），而避免在電漿態熱輻射所造成的能量損失，須利用反應時生成氦（He）產生的能量，此過程稱為燃燒電漿（Burning Plasma）。達到「燃燒電漿」狀態是實現高效能量增益的關鍵。燃燒電漿狀態指的是等離子體中的核融合反應能夠進行，且釋放的能量足以維持反應所需的溫度和壓力。

目前國際間主要以磁約束技術（Magnetic Confinement Fusion, MCF），與慣性約束技術（Inertial Confinement Fusion, ICF）兩種方式來約束電漿以維持「燃燒電漿」狀態。

1. 磁約束技術（Magnetic Confinement Fusion, MCF）：顧名思義，以強大的磁場約束等離子體(電漿) 在一個有限的空間內，並保持其高溫狀態以達到核融合的發生條件。

1-1托卡馬克（Tokamak）

托卡馬克是目前最成熟和廣泛研究的磁約束裝置，其基本原理是利用環形磁場和環向電流來約束等離子體，使其在一個環形真空室內維持在穩定的高溫狀態。主要由以下幾個部分組成：

環形真空室：內部是一個環形（甜甜圈形）結構，用於容納等離子體。真空室必須保持高真空狀態，以減少與等離子體的碰撞和能量損失。

環向磁場線圈：環向磁場線圈繞著真空室排列，用來產生強大的環形磁場。這些磁場在環形真空室內形成一個磁場環，有助於穩定等離子體。

電場線圈：電場線圈位於環形室的中心，通過電流在等離子體中產生強烈的環向電場，這些電場使等離子體中的帶電粒子沿著環形軌跡運動，進一步加熱等離子體。

等離子體加熱系統：包括微波加熱、中性束注入（NBI）、射頻加熱（RF）等，用於將等離子體加熱到核融合反應所需的高溫。

托卡馬克技術是目前最常見的核融合反應設備，包含國際熱核實驗反應堆（ITER），是當前全球最大的國際合作核融合項目，由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、印度和韓國七個成員國共同參與。ITER 的目標是實現Q值達到10以上的淨能量增益，並預計在2035年左右實現首次等離子體點火。

中國科學院的EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）是中國自主研發的超導托卡馬克裝置，EAST 已經實現了多次長時間高溫等離子體約束實驗，為核融合技術的突破奠定基礎。

英國JET（Joint European Torus）是歐洲最大的托卡馬克裝置，主要研究氚的核融合行為和等離子體控制技術。JET 的實驗數據和技術經驗將為ITER 提供技術支援。

圖四 托卡馬克技術

資料來源：physics.stackexchange 2024/6

1-2斯特拉托（Stellarator）

斯特拉托利用複雜的三維磁場來約束和穩定等離子體，防止其擴散和與反應堆壁接觸。與托卡馬克不同，斯特拉托不需要環向電流來維持磁場，有助於減少電流驅動的不穩定問題。斯特拉托的三維磁場設計使得等離子體可以在更長的時間內維持穩定。主要由以下幾個部分組成：

複雜的三維磁場線圈：斯特拉托的核心在於其獨特的三維磁場結構，具有複雜的幾何形狀，用於產生穩定的三維磁場，將等離子體約束在環形真空室內。

環形真空室：環形結構，用於容納等離子體。真空室必須保持高真空狀態，以減少與等離子體的碰撞和能量損失。

等離子體加熱系統：包括微波加熱、中性束注入（NBI）、射頻加熱（RF）等，用於將等離子體加熱到核融合反應所需的高溫。

以下是幾個斯特拉托技術主要的研究：

德國的 Wendelstein 7-X：目前最大的斯特拉托裝置，由德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所（Max Planck Institute for Plasma Physics）主持。

美國的 HSX 項目：美國威斯康辛大學運營的一個斯特拉托裝置，主要研究螺旋對稱磁場結構對等離子體穩定性的影響。

圖五 Stellarator反應爐

資料來源：researchgate 2024/6

2. 慣性約束技術（Inertial Confinement Fusion, ICF）：是一種通過瞬間加熱和壓縮核融合燃料(氘-氚)靶球，使其達到核融合反應所需的極高溫度和壓力的技術。ICF主要依賴於外部能量源（如雷射或粒子束）來達到反應條件。以下是慣性約束技術中主要使用的幾種技術和方法：

圖六 慣性約束技術

資料來源：劍橋大學 2024/6

2-1. 雷射慣性約束技術（Laser Inertial Confinement Fusion, LICF）(如圖七)

利用高能雷射集中在核融合燃料上，瞬間加熱和壓縮燃料，使其表面瞬間升溫，形成高壓等離子體。燃料外層物質因極高溫度而迅速蒸發，產生向內的壓力波，將燃料內部壓縮到極高密度，從而引發核融合反應。根據工研院報告顯示，當前全球共有六個國家共11組設備在進行此技術研發，以下是幾個主要的研究進展：

美國國家點火裝置（NIF）：目前世界上最大的雷射慣性約束設備，擁有192束高能雷射槍，目標是實現核融合點火和自持燃燒電漿，驗證核融合能量增益的可行性。

中國神光系列激光裝置（SG）：位於上海的中國科學院，神光激光裝置包括SG-II和SG-III等，具有高功率雷射系統，已經實現了多次高功率激光照射實驗，為核融合研究提供了寶貴數據。

歐洲的 HiPER 計劃：歐洲的雷射慣性約束研究項目，致力於發展下一代高功率設技術，推動激光慣性約束技術的應用和發展。

圖七 雷射慣性約束技術

資料來源：researchgate 2024/6

其它利用慣性約束概念，達到核融合反應的相關技術尚有質子束融合（Proton Beam Fusion）、重離子融合（Heavy Ion Fusion, HIF）、粒子束慣性約束技術（Particle Beam Inertial Confinement Fusion）、皮秒雷射加速器（Picosecond Laser Accelerator）等，大多是以不同形式的離子束撞擊核融合燃料靶材以達到高溫高壓的反應條件。Z-箍縮技術（Z-Pinch Confinement）技術則是利用強電流通過燃料靶球，產生強大的磁場和電場，實現燃料的壓縮和加熱。

核融合企業以美國為主2035前有望商轉

過去這幾年來全球淨零碳排意識抬頭，各國政府在綠能領域推出各種政策鼓勵發展，核融合發電號稱潔淨能源的最佳方案之一，也陸續傳出能量增益接近商業化的新聞。目前此項技術發展仍然以美國為首，持續進步當中，根據核融合產業協會(Fusion Industry Association)在2023年的報告指出，近幾年來核融合企業共在市場上取得超過62億美元的融資，在2023年全球通膨及景氣擔憂的環境下，融資金額仍然增加14億美元(如圖八)。當前正在發展核融合技術的公司共約43家，有25家在企業在美國註冊，總融資金額前十名當中美國佔七家以Commonwealth Fusion Systems、TAE Technologies、SHINE Technologies為前三大，共取得近40億美元融資，中國則有兩家，英國一家。

如前節所提，「磁約束技術」中的「托卡馬克」反應爐是現階段最多公司使用的技術，而反應燃料則以氚-氘最受歡迎。依照目前技術進展，預期在未來數年內將有更多的技術突破和商業化應用出現，在2035年之前有望看到核融合設備正式走上商業化的道路發電併網，為全球能源供應帶來革命性變革。

圖八 核融合企業融資排名

資料來源：Fusion Industry Association；智璞產業趨勢研究所整理 2024/6

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