總統賴清德日前到全國工總演講時，提到政府對先進核能的看法，他說「行政院長卓榮泰也表達過並未排斥，例如『核融合發電安全又沒有核廢料』，社會接受程度很大…」，這些說法讓人們聯想出一種美好的願景：有著強力、安全，又無汙染的能源。但是，我們真的瞭解核融合嗎? 它真的足夠安全嗎?離實際應用又剩多少年? 本文告訴大家核融合發展的實際真相。
淺談核反應：核分裂與核融合
「太陽是什麼?」這個問題一直困擾著人們。希臘時代的思想家認為「太陽可能是持續燃燒的煤炭」，由於沒有更好的答案，這一說法就持續被抄錄與引用；到了十七世紀，熱力學原理誕生以後，科學家再去計算太陽的功率，發現太陽的能量極為驚人，絕非煤炭可以生成，使得問題又回到原點。
直到二十世紀，愛因斯坦(Albert Einstein)提出著名的質能互換公式，即：「能量等於質量乘上光速平方」，這才開啟了原子能的研究，其中又分成如今主要的核電原理「核分裂」，以及太陽發熱原理的「核融合」。
先略述核分裂。1930年代，包括費米(Enrico Fermi)、哈恩(Otto Hahn)、史特拉茲曼(Fritz Strassmann)等科學家們，持續進行高速中子轟擊鈾原子的實驗，他們發現鈾原子被撞擊後，產生較輕的原素，同時也看到產生了額外的能量。這一原理是被德籍猶太女科學家邁特納(Lise Meitner)所解釋，她以愛因斯坦的質能互換公式算出「每個分裂的原子核，會釋放2億電子伏特的能量」，這一驚人的數值，證明了原子能的潛力。
再來是核融合。既然重的原子核被中子打擊後，會破碎成輕的原子；那麼，能不能反其道而行?將2個輕的原子核，以外力壓縮而合併1個較重的原子呢? 1920年，天文學家兼物理學家的愛丁頓(Arthur Eddington)，就根據恆星光譜當中，幾乎都是氫原子、氦原子為主要成分的天文現象，提出《恆星的內部結構》的論文，當中提出「恆星可能是氫原子融合為氦原子，因此產生能量」的假說，是第一篇預言核融合的論文。
愛丁頓的假說直到12年後的1932 年，才被科學家奧利芬特（Sir Mark Oliphant）完成實驗，他先利用加速器把質子加速到非常高能量，再去撞擊靶位上的重氫「氘」，確定產生重氦「氦3」、重氫「氚」與高速中子，其中出現高速中子是關鍵證據，證明核融合確實發生了。
這樣的發展看起來很不錯，但是相比於核分裂的「每個分裂的原子核，會釋放2億電子伏特的能量」的高回報，奧利芬特的核融合實驗，卻是「輸入巨大，輸出極小」的超低回報率，這就預示了核融合發展命運的坎坷。
強力、卻很難重現的核融合：
「核融合的能量轉換率低」這一說法可能會嚇到許多人，甚至感到違反常識。畢竟太陽就掛在天空上，它是那麼的熾熱，怎麼會是極弱的能源?
這就必須要再引入兩個物理現象，其一是「庫侖障壁」(Coulomb barrier)，其二是「量子穿隧」(Quantum tunneling effect)；簡單的說，庫侖障壁是原子核無法輕易融合的主要障礙，基礎原理是「原子核距離愈近，排斥力就愈大」。
理論上，受困於庫侖障壁，原子核是無法融合的；但是在量子世界中，又有奇怪的「量子穿隧」；簡單的說，在某些情況下，原子之間的庫侖障壁會突然消失，使得原子核可以出現融合。
核融合機率低，太陽為何還能發光發熱?
當年奧利芬特的核融合實驗，他的高速質子撞擊了非常非常多次，才實現了核融合現象。根據當年的實驗資料，是每秒6兆次的質子撞擊氘氣，每秒發生100~1萬次的融合反應，相當於1千億次撞擊，才有 1次融合成功。
一言以蔽之，太陽發生核融合的主要原因之一，是它的氫原子非常的多，多到形成巨大的引力，這些引力又在太陽核心裡形成巨大的壓力。
許多人以為太陽核心融合靠的是高溫，其實真正的關鍵是巨大引力造成的高密度。太陽的質量是地球的 33 萬倍，龐大的引力把氫核壓得極為靠近，使它們即使在「只有」1500 萬度的環境中，也能透過量子穿隧成功融合。
最重要的是，使得氫原子壓在一起的力量，是萬有引力，它完全不需要外部供能。它不用電力、不用磁場、不用控制系統、不用工程師維護；只要存在，太陽就能自然維持核融合的觸發條件。
地球核融合的困境：
說的更直接點：它的「束縛能量」是宇宙免費給的。
地球的質量根本壓不出太陽那種密度，這也意味著，我們無法靠引力「擠出」核融合條件，於是科學家只能選擇另一條路，用電磁力製造一個「類太陽核心環境」。縱觀現行的所有核融合技術，都是：1.先用電磁場把電漿體圈住、電流或微波把溫度加到上億度，2.用超導體維持穩定，3.用精密系統壓制不穩定現象。
包括托卡馬克(Tokamak，磁力環)、仿星器(Stellarator)、雷射壓縮，都是這個概念的不同做法。
然而，這是一個極度耗能的系統，電磁場需要持續供電，電漿體需要先行加熱；而且任何一點漏失，都會讓電漿體從磁場中「跑掉」，幾億度的電漿外洩，必然燒毀外層磁場設備。
與核分裂不同，核融合沒有「連鎖反應」：
簡單的說，太陽靠著重力，就可以「免費」維持融合環境；而在地球上，則要每秒消耗大量電力來製造高溫高壓環境，由於地球環境的壓力不足，只能提高溫度，需要把電漿加熱到一億度以上，條件比太陽反應還要嚴苛！試想利用電磁場製造一億度的環境，那是多麼的消耗能量?這就是想在地球重現核融合，極為困難的根本理由。
還有一個重點，核分裂電廠之所以能輕鬆發電，是因為核反裂具有連鎖反應，即：一次核分裂 → 釋放多個中子 → 撞擊其他原子再次分裂。因此，只要達到「臨界」，反應就會持續進行，不需要持續外施加能量。
相對的，核融合完全沒有這種自我放大的機制。核融合要成功，必須同時滿足「超高溫」、「超密度」、「持續約束時間」，一旦這個約束力量結束，它的反應就停止了。簡單講，就是你能提供多少條件，它才給你多少反應；它不會自己變強，也不會自己穩定。因此，核融合永遠需要外力維持，而這外力本身就很耗能。
每次「突破」都重要，但都不是那個關鍵突破：
近年來，核融合研究頻傳好消息，我們會聽到「更強的磁場」、「更長穩定時間」、「更高的電漿溫度」，甚至在前年出現了「輸出能量大於輸入能量」的好消息。
正確態度：支持核融合研究，但不應神話核融合
不可諱言的，這些都是了不起的進展，也是科學的真正進步。但是這些成就， 都是極為耗能的，也使得沒有任何跡象顯示，核融合會在 10～20 年實現商轉，並成為大規模且便宜的能源。
就算商轉成功，它肯定也不便宜
許多人以為核融合成功後電力會非常廉價，甚至接近免費。但從工程角度看，情況卻完全不是這樣。商轉核融合，需要很多設備成本，包括價格驚人的超導磁體、大型冷卻系統、耐中子材料、複雜的控制系統與維修、氘與氚的生產與處理成本。這些零零總總加起來，成本一定高於現行的核分裂式核能。
核融合是值得投入的科技，因為它能推動材料科學、磁約束、雷射技術等多領域的進步。但是，我們真的不應將它視為能源危機的解答，不要期待它能在短期內改變世界。
下一次，再聽到政治人物說「我們期待核融合」這類的話語，請思考他們的真實目的：是否在以技巧的話術，做為阻止使用成熟核電的理由?
編輯 / 羅志光
【巴西華人資訊網】
