談到未來能源，人們總喜歡提到「核融合」，並冠以「終極能源」、「理想的低碳能源」等稱號。不過，可控核融合要真正實用化，仍須克服點火、維持穩定反應及控制反應器運作等難題，也讓外界持續質疑核融合發電究竟何時才能實現。
美國普林斯頓大學研究團隊近日提出一套更完整的核融合點火分析模型，為這個仍面臨多項技術瓶頸的領域，提供了新的研究方向。
這項研究發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）。研究人員指出，與其耗費大量能量，試圖直接跨越核融合點火的高能耗門檻，不如重新規劃電漿的加熱與提高密度的順序，尋找更有效率的點火路徑。
核融合點火不只是追求高溫
太陽的能量來自核融合反應。在極高溫度與壓力下，氫的原子核經由一連串核反應形成氦，並釋放能量。地球上的核融合研究則試圖在可控制的環境中重現核融合反應，利用反應釋放的能量發電。
目前受到重視的技術之一，是利用磁場約束高溫電漿的磁約束核融合。研究人員必須將燃料加熱成高溫電漿，使其達到足以發生融合反應的溫度，並維持適當的粒子密度與能量約束條件。
所謂「點火」（Ignition），是指核融合反應產生的氦原子核，也就是α粒子，能將足夠的能量傳回電漿，使燃料維持高溫，讓反應不再完全依賴外部加熱。
然而，實際反應器並非理想的封閉系統。電漿會持續損失能量，反應產生的氦也會逐漸累積，而反應器內壁的材料「鎢」，若進入電漿形成雜質，甚至可能造成嚴重的能量損失。這些因素都可能使原本看似可行的點火設計，在實際運作時遭遇困難。
將多種能量損失因素納入同一套模型
這項研究的理論基礎，是1950年代發展的「勞森準則」（Lawson criterion）。這套準則用來描述核融合燃料必須滿足的條件，包括溫度、粒子密度與能量約束時間等因素，才能達到核融合所需的能量平衡。
研究團隊進一步將四種重要因素納入分析。
首先是「氦灰」（helium ash）。氘與氚融合會產生氦原子核及中子。氦原子核雖然能將能量傳回電漿，卻不是可繼續參與氘氚融合的燃料；若累積過多，就會稀釋氘、氚的濃度，降低有效的融合反應率。
其次是反應器壁產生的雜質。為了抵抗高溫與粒子轟擊，部分核融合反應器設計採用鎢等耐熱材料。然而，鎢即使具有極高的熔點，仍可能受到粒子轟擊而侵蝕，進入電漿。鎢原子會造成強烈的輻射能量損失，使電漿更難維持點火條件。
第三是同步輻射。帶電粒子在磁場中運動時會釋放電磁輻射，造成能量流失，增加維持高溫電漿的難度。
第四則是熱量流失。電漿的能量會透過傳輸與逸散機制流失，因此反應器必須具備足夠的能量約束能力，才能維持所需的高溫環境。
上述因素過去都曾分別受到研究，但這項研究的特點，是將它們整合進同一套分析架構，評估各種因素如何共同影響核融合點火的可行性。
先加熱電漿，再提高密度
研究團隊利用數學模型，尋找通往核融合點火所需能量較低的路徑。研究所討論的「Cordey鞍點」（Cordey saddle），是指在通往自持核融合反應的條件路徑上，一個具有關鍵意義的門檻位置。
研究結果顯示，與先提高電漿密度、再進行加熱的方式相比，先加熱電漿，再逐步提高密度，可能是更有效率的操作路徑。
研究團隊成員路易斯・德爾加多－阿帕里西奧（Luis Delgado-Aparicio）以登山作為比喻：如果將點火比作山脈另一側的山谷，傳統思路就像直接攀越山峰；新的分析方法則是尋找繞過山峰的路徑，在抵達相同目的地的同時，減少所需付出的能量。
不過，這並不代表研究人員已經找到可直接套用於所有核融合反應器的固定操作程序，而是指出，在考慮更多實際限制後，點火的最佳路徑可能與單純追求高溫或高密度的直覺不同。
新理論模型 有望為商業核融合開發指路
這項研究並未進行實際的核融合點火實驗，也沒有證明新方法已能在實體反應器中降低能耗或提高發電效率。其主要貢獻，是建立一套納入更多實際限制的分析框架，協助研究人員評估下一代核融合裝置的點火可行性、穩定性與性能。
隨著各國及民間企業持續提出新型核融合反應器設計，如何更準確地預測電漿行為、降低設計失誤的風險，將是核融合工程化的重要課題。若這套模型未來能獲得實驗驗證，便有機會協助研究團隊改善反應器設計，減少不必要的研發時間與成本。
編輯 / 羅志光
【巴西華人資訊網】
