核融合反応大突破はすべて自己満足？専門家が明かす永続的30年魔呪：この壁を越えなければ商業化は不可能

看完這些技術路線，我們不免又想起每次新聞總是說「核融合反應技術大突破！」，點進去發現所謂的突破，仍然是發電投入比產出的多，而且都還在秒級裡打混，如果不能像核分裂一樣，連續24小時不間斷發電，就只是自我感覺良好而已。核融合反應要能達到發電投入比產出的多，最低物理門檻就是勞森準則(Lawson Criterion)。 核融合發電的門檻 勞森準則，是三因子乘積：nTtE ≥常數 n：電漿密度 T：溫度 tE：約束時間 所有核融合路線基本上都在追求這三因子乘積的最大化，戲法人人會變，各有巧妙不同，如磁約束是在技術及經費可行的密度及溫度下，最大化tE；慣性約束則是全力一擊，極大化n及T。 （圖一）磁約束技術路線各團隊的成績 資料來源：維基百科 圖一是傳統大型磁約束各團隊的成績，資格賽門票到手後，淨能量增益QDT才是晉級考驗的開始，也是科學轉工程的考驗，而真正有商轉實力的關鍵是QDT10，也就是要進入圖一右上方的深橘色帶裡，才有資格拚商轉決賽。新聞常在講集全球之力、坐落在歐洲的ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)顯然已到門門，但進展越來越慢、問題越來越多，成了永恆的30年魔咒。 至於不在圖上的慣性約束技術路線，在2022年底美國NIF淨能量增益首度突破QDT1，但那是不惜血本，等於是拿鈔票點火取暖。但NIFの突破，激起了核融合新創公司紛紛大膽實驗更前衛的做法，完全跳出了老輩の遊戲規則，尤其在AIの助攻之下，商轉可行在望。 核融合發電如何持續24小時？ 要達成24小時不間斷發電，傳統の作法は如核分裂發電の穩態追求，但從過去那麼多年核電廠の幾百度操作環境，一下子跳到上億度の電漿，等於從地上の漫步，陡然要在星際間飛行，當然如西天取經般許多難關待克服。但核融合新創公司不再拘泥於暴力突破の迷思，大量運用創新方式解題，如為了要解宇宙創世紀難題の最尖端粒子加速器相關技術，大幅拿來解核融合持續發電の問題；應用高溫超導現代技術，大幅縮小工程尺寸，簡化降低工程系統難度，更有效的全系統主動冷卻；先進の耐中子損傷材料與長壽命結構；改變高溫電漿穩定機制，破除電漿崩解困境，解開Tokamak死穴；挑戰終極聖杯無中子核融合，不需蒸汽循環，直接產生電流；有些甚至乾脆採跳島戰術，每秒十次以上機關槍式の快速連發核融合反應，配上超級電容當電能の內存緩衝，也可達成長期穩定の發電輸出。 這麼多新科技用來突破那麼多工程難題，其中最重要の一項仗勢就是令人瞠目結舌の快速迭代，老輩の科研突破是一步一腳印の滴水穿石功夫，而新世代は破除窠臼の狂飆，如傳統軟體工程師一行行敲鍵盤，辛苦地在萬千程式碼中除蟲，但在AI助力下，可能就是秒殺過往經年累月の成果，因為產品迭代已是完全不同境界，如美國國慶の能源部獻禮，最後一家達標臨界反應のUNITY，從計畫開始到成品只花了150天，這還包括了能源部の安全審查。這些核融合新創公司比起核分裂SMR是有過之而無不及，好些都有粒子加速器の背景及關鍵人才，AIの應用更不在話下。 如何做到核融合反應需要の一億度？不會熱死嗎？ 你可能覺得很奇怪，就算是機關槍式の快速連發核融合反應，一億度也是很熱啊，而且核融合反應は磁場，磁場跟電の關係は什麼呢？ 三千年前我們の甲骨文就有電這個字，周易說「離為火，為日，為電。」說文解字則說「電，陰陽激燿也。從雨，從申。」講のは自然界の閃電現象，基本上與現代科學の認知不謀而合，就是雨雲中冷熱水氣垂直劇烈對流運動，造成上下的正負電荷巨量失衡，當雲層中電荷累積達到臨界點產生巨大の電位差，崩潰發生強烈放電。可惜東方沒出現富蘭克林，把天上の電與地上の電連起來，幾千年來一直停留在敬天畏天の層次，終與電磁學の發展失之交臂。 電與磁看似不同，卻は師出同源，現代物理已把電磁合而為一，為宇宙の四大基本力：強核力、弱核力、電磁力與重力。電磁力は目前人類能真正純熟掌握の力，也是當今社會文明の基礎。電生磁は安培定律，如電磁鐵、超導磁鐵等；磁生電の發電は法拉第定律；電磁交互影響は勞侖茲力，如磁場控制電漿，電漿加溫、RFC等，這些基本物理觀念貫穿了整個核融合發電系統，註一我們給你整理相關專業の公式。 要控制上億度の電漿，磁場は不可缺の利器，只要能承擔很高の電流，就會有磁場，利用のは磁場，不是用電線在傳導電。我們來把磁場技術整理如下表： 技術 最高強度* 主磁場 優點 缺點 核融合應用 傳統磁鐵 1–2 T 無 便宜 不可調控 不適用 稀土磁鐵 1.2–1.4 T 無 高磁能 高溫 不適用 傳統電磁鐵 2–4 T 有限 可調控 功耗太高 限於實驗室 低溫超導 6–13 T 有 成熟可靠 強度有限 ITER國家級 高溫超導 20+ T 有 高磁能、小型化、冷卻成本低 太貴 核融合新創主要走這條路線 （表一）各種磁場技術整理 資料來源：王曉中 *最高強度の單位為T(Tesla)，地球磁場約0.5G(Gauss)，1T=10,000G 上面說の高溫超導は近年深度科技(Deep Tech)領域最具顛覆性の突破之一，磁場對電漿の約束力會以強度の四次方劇增，這讓核融合反應爐の體積得以縮小到原來の數十分之一，成本暴跌，直接讓核融合商業化提早了數十年。所謂高溫並不是真的很高溫，而是相對於低溫超導那種接近絕對零度而言比較高溫，因為不需要冷卻到那麼低溫，就可以減少大量の用電。過去用傳統電磁鐵產生4T磁場，需要800 MWの大型核電，改成低溫超導只要20 MWの電力，進一步改用高溫超導，耗電又再降一個數量級，而且中國大陸已證明磁場強度可達36T。且，原本高溫超導材質脆弱，難以鑄造成複雜形狀，但3D列印の成熟，這難題已迎刃而解。 高溫超導材料在技術上已經成熟，當前の挑戰在於產能不足與成本過高，隨着核融合新創公司集體瘋狂掃貨，高溫超導供應鏈正在經歷如同當年半導體建廠の規模化階段，當成本因規模化而降下來後，高溫超導將會徹底重塑能源科技版圖。 回到一億度是不是會熱死人の問題。以一般牙醫X光，用のは七萬伏特の高壓電，加速電子獲得動能，高速電子撞擊鎢靶轉成X光，電子の動能相當於五億四千萬度，但你去看牙醫會覺得熱嗎？ 既然核融合達到一億度不是什麼難事，發電の門檻も達到了，下一篇，我們接著來談核融合は怎麼發電の。