托克馬克反應爐：地球上創造的人造太陽——成功大學電漿所向克強教授專訪

• 張博宇／目前專研於高能高密度電漿、電漿推進、核融合等領域。

Take Home Message

• 美國國家點火設施（NIF）在去年使用慣性控制核融合，首次在可控的核融合反應中，令能量的輸出大於輸入，朝核融合產能邁進了一大步。
• NIF 將 2.05 百萬焦耳（MJ）的雷射能量注入靶材，經過核融合反應產生了 3.15 MJ 的能量，靶材增益為 1.5。但若將產生雷射能量的耗能考慮進去，則並沒有真正的能量輸出。
• 臺灣各學校的物理系、核工系、電漿所其實都有學者針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究，期望這次NIF的成果能推動相關領域進展。

去（2022）年 12 月，美國能源部（Department of Energy, DOE）、DOE 所屬的國家核安全管理局（National Nuclear Security Administration, NNSA）、勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL），以及 LLNL 所屬的國家點火設施（National Ignition Facility, NIF）召開了一場記者會。

在記者會中，他們共同宣布在實驗中實現增益值（gain）大於一的結果，意即實現了第一次在可控的核融合（controlled nuclear fusion）反應中，輸出的能量大於輸入的能量，朝核融合產能邁進了一大步。然而，這項結果是否代表著核融合發電即將被實現？

產生能量的核融合反應

在核融合反應中，若兩個較輕的原子核可以融合成一個較重的原子核，且反應之後的總質量減少，那麼根據愛因斯坦（Albert Einstein）質能互換的關係（E ＝ mc²），減少的質量將會轉換成能量。

最容易產生的核融合反應是將氫（¹H）的兩個同位素氘（²H，或稱為 D）及氚（³H，或稱為 T）的原子核融合，產生一個 α 粒子（即氦原子核，⁴He）加一個中子（neutron, n），同時產生 17.6 百萬電子伏特（MeV）的能量：

D⁺ ＋ T⁺ → α²⁺＋ n ——公式一

在公式一的核融合反應中，兩個帶有正電的原子核必須互相靠近才能融合在一起。然而，兩個帶正電的粒子互相具有排斥力，而且愈靠近排斥力就愈大。因此，除非這兩個粒子互相靠近的速度快到排斥力無法阻止它們相撞，核融合才能發生。除此之外，還必須要考量到庫倫散射（Coulomb’s scattering）的現象——若兩個帶正電的原子核沒有正面對撞，則兩者會因為排斥力的原因轉向——更增加了兩者靠近的難度。

因此，只能把氘與氚氣體加熱到高溫，長時間侷限這些高溫的燃料，讓極少數高速的原子核有機會互相靠近並發生核融合反應、產生能量。但即便是最容易發生的氘加氚核融合反應，也需要將燃料加熱到 50 千電子伏特（keV，約為 5.8 億 ℃）才能有最高的反應速率。

有什麼方法可以將燃料加熱到所需要的溫度呢？看回公式一，氘與氚的核融合產物中具有能量為 14.1 MeV 的中子，及 3.5 MeV 的 α 粒子。我們可以讓高能的中子將能量攜出後再轉換為電能，但讓帶有較少能量的 α 粒子保留在系統中加熱燃料。因此普遍實現核融合產能的系統，目標都是將燃料加熱到溫度約 10 keV（約為 1 億 ℃），讓核融合產生的 α 粒子能繼續加熱燃料。

帶來重大進展的核融合研究

目前國際間研究的核融合反應主要可分為磁場控制核融合（magnetic confinement fusion）與慣性控制核融合（inertial confinement fusion），NIF 去年的實驗便是使用間接驅動（indirect-drive）的慣性控制核融合。

在這次的實驗中，當 2.05 百萬焦耳（megajoule, MJ）的雷射能量注入環空器（hohlraum）¹並加熱中間的球殼靶材後，經過核融合反應產生 3.15 MJ 的能量，意即靶材增益（target gain）約為 3.15 / 2.05 ＝ 1.5，是人類首次在可控的核融合反應中，輸出的能量大於輸入的能量。

然而，若將產生 2.05 MJ 的雷射能量考慮進去，需要耗掉的能量約為 300 MJ；換言之，這次實驗的真正能量增益（energy gain）約為 3.15 / 300 ≈ 0.01，並沒有真正的能量輸出。

不過，NIF 使用的是 90 年代的雷射技術，它的建造目的是為了國防研究所需，因此並不是最適合核融合的研究場域，在雷射技術上還有很大的進步空間。再者，回顧 NIF 從 2011 年開始進行的核融合實驗，歷經了超過十年終於第一次實現靶材產生的能量超過了雷射的能量，對 NIF 而言可說是向前邁進了一大步。

更重要的是，在去年的實驗中，靶材都進入了 α 粒子能夠繼續加熱燃料的燃燒電漿（burning plasma）範圍，是過去核融合研究從未達到的條件，只要稍微最佳化實驗條件便能讓輸出能量有顯著的提升。因此，這次的重大突破顯示了核融合的可行性並非天方夜譚。

臺灣的核融合相關研究發展

核融合研究本身是一個複雜的系統，在科學上及工程上都有許多的挑戰，許多名字上並沒有「核融合」的研究，其實也都間接與核融合相關。以這次的慣性控制核融合為例，相關的研究就包含了雷射技術、靶材製作技術、粒子量測技術、高速攝影技術等。

若以磁場控制核融合來說，也包含了高溫超導、微波技術、高壓脈衝技術、粒子加速器等科技。當然，最重要的就是電漿科學、電漿加熱、電漿量測技術等研究，因為任何材料在高溫的條件下，都會變成電漿態。 

在臺灣各個學校的物理系、核工系、電漿所分別都有 1～2 位老師在研究電漿相關的領域，尤其成功大學的太空與電漿科學研究所，更有針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究。然而，相較於國外蓬勃發展核融合的環境相比，臺灣投入核融合研究的人數仍然明顯不足。

期盼這次NIF的實驗成果，能夠吸引更多臺灣的學生及研究人員投入核融合的相關研究，更刺激政府、民間團體投入更多的資源在核融合研究上。

兩種不同的核融合方式

當物質被加熱到 1 億 ℃ 時，原子內部帶負電的電子便會脫離帶正電的原子核，形成帶負電的電子及帶正電的原子核混合在一起的狀態，稱為電漿（plasma）。我們可以利用帶電粒子的特性侷限高溫的電漿，目前廣泛被研究的核融合反應可分為磁場控制核融合與慣性控制核融合，它們的原理有哪些不同？

磁場控制核融合

其中一種方式便是藉由稱為「托卡馬克」（tokamak）的環形容器產生核融合。透過環磁場線圈及延著環形方向的電漿電流（plasma electric current），在環磁場線圈的內部形成一個扭曲但繞著環磁場線圈的螺旋磁力線（helical magnetic field），讓電漿不斷延著螺旋磁力線移動，被侷限在環磁場線圈形狀的真空腔中但不與真空腔的腔壁接觸。

最後，再將電漿加熱到 10 keV的溫度。此核融合的方式能透過磁場將低密度（接近真空）的電漿侷限在真空腔中上百秒或更久的時間，讓高溫的氘、氚原子核有機會互相靠近並發生核融合反應。

慣性控制核融合

慣性控制核融合是利用電漿本身的「慣性」來侷限電漿。由於粒子本身的質量不等於零，所以離開系統需要時間，只要燃料在離開系統前反應完畢，那是否被持續侷限就不重要了。

因此，慣性控制核融合必須將氘與氚的燃料加熱到近 10 keV，並壓縮到高壓力（約千兆大氣壓，gigabar）及高密度，讓粒子間碰撞的頻率在極高的密度下大幅度提升，增加核融合發生的頻率。因此僅需要將系統維持／侷限在奈秒（ns）內，同樣能將燃料燒完。

慣性控制核融合可分為直接（direct drive）或間接驅動，不過兩種驅動方式都是為了快速加熱球殼外層。當球殼中心的氘及氚溫度達到 10 keV 時，核融合反應便會從中心開始發生，產生的能量可以由內而外藉由核融合反應燃燒球殼。

球殼內部在前述的過程中因為壓縮產生高壓，外部的雷射也會停止使得外部的壓力減少，因此球殼又會被向外推。然而，因為球殼本身的慣性，被向外推較為耗時，因此只要向外燃燒球殼的速度大於球殼被向外推的速度，便能將整個球殼再被外推前燃燒殆盡，產生能量。

註解

• 〔註 1〕環空器是一種腔壁與腔內達到輻射熱平衡的空腔，在慣性控制核融合實驗中燃料球會被放入環空器，再於環空器兩端孔洞射入雷射提供能量。

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 4 月號〉
• 科學月刊／在一個資訊不值錢的時代中，試圖緊握那知識餘溫外，也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

在上一篇中，我們介紹了將在 2023 年發生的五個醫藥健康大事件。

延伸閱讀：
用迷幻藥治憂鬱？基因編輯療法將通過批准？——2023 最值得關注十大科學事件（上）

這次我們轉向能源、宇宙與科技領域，從首趟平民月球之旅、物理學的標準模型新發現，再到第一個核廢料永久儲存設施正式營運！

No. 5 氣候與能源衝擊

世界各國能否聽從科學家的警告，採取實際行動，朝淨零之路前進嗎？看起來不行。由於疫情與俄烏戰爭，去年 11 月在埃及舉辦的「聯合國氣候變化會議 COP27」幾乎是原地踏步。

不過還是有一個重要的決議，那就是建立氣候損失和損害基金。根據協議，排放量較高的富裕國家將在經濟上補償受氣候變化影響最大的貧窮國家。「過渡委員會」將於 2023 年 3 月底前舉行會議，提出資金運用的建議，並在 11 月的 COP28 會議上提交給世界各地的代表。

至於核能的部分，新型核分裂發電與核融合發電，都會在 2023 年有所進展。

另外，世界上第一個核廢料儲存設施，今年將在芬蘭西南海岸外的奧爾基洛托島正式啟用。這個由芬蘭政府於 2015 年批准建造的地下處置庫，將負責封存超過 6500 噸有放射性的鈾；這些鈾會被裝在銅罐中，再用厚厚的粘土覆蓋，最後埋在地下 400 公尺深的花崗岩隧道內，預期將被密封數十萬年，直到輻射水平達到完全無害的程度。

另一個好消息是，今年 1 月 1 日就任的巴西總統——魯拉（Luiz Inácio Lula da Silva），將推翻前任總統開放的雨林開發，保護生態與文化。

然而深海則有新危機。若 2023 年 7 月前，聯合國的國際海床管理局（ISA）沒能讓各國對深海採礦管理準則達成共識，那海底的礦產資源可能會被某些政府和企業盯上，不受限制地開挖，海洋生態將迎來浩劫……。

許多關於能源的抉擇包含了科學和政治，能源短缺也激勵了綠能跟潔淨能源的投資力道及採用意願；至於今年還會不會發生更棘手的麻煩？使能源轉型更加舉步維艱。

No. 4 超越標準模型

2022 年 4 月，美國費米國家加速器實驗室的物理學家，公佈了渺子 g-2 實驗的首批結果；這項實驗研究了被稱為「渺子的短命粒子在磁場中的行為」。

過去 50 年來，標準模型（Standard Model）^[註]的理論預測通過了所有測試，但其實物理學家普遍認為標準模型肯定還不完備，並且認為可以從渺子身上找到破綻；如果今年再次公佈更精確的數據，顯示渺子的磁矩比理論預測來得大，那就代表還有新粒子等待被發現，而標準模型就得修正。

位於中國廣東的江門地下的微中子實驗觀測站，也將在今年展開尋找超越標準模型的物理學之旅；利用位於地下七百公尺的探測器，來準確測量微中子的振盪。

註：標準模型為能描述強核力、弱核力、電磁力這三種基本力，以及所有物質基本粒子的理論。

另外，物理學家們在今年會有升級的新設備。第一個是 LCLS-II 直線加速器相干光源 2 代（Linac Coherent Light Source-II），它將創造終極 X 射線機器，看到分子內原子的運動！另一個則是新的重力波獵人—— Matter-Wave Laser Interferometric Gravitation Antenna（物質波雷射干涉重力天線）；這個設施把銣原子冷卻成「物質波」，能夠梳理黑洞和其他超大質量天體碰撞產生的時空漣漪，揪出現有重力波設施錯放的事件，甚至可以幫我們尋找暗物質！

而在瑞典隆德附近、由歐洲 17 國攜手成立的歐洲散裂中子源（ESS），將使用史上最強大的線性質子加速器產生強中子束，來研究材料的結構；雖然預計 2025 年才會完工，但於今年迎來第一批研究人員，開始實驗。

No.3 就是要抬頭看天空

許多人心中 2022 年科學事件第一名，正是韋伯太空望遠鏡傳回的驚人照片；沒有意外的話，韋伯在 2023 年會繼續大顯身手，揭露星系演變的真相，與遙遠系外行星的生命印記，找尋地球之外的生命。

今年還會有更多驚喜！來自於新的太空望遠鏡，如：由歐洲太空總署開發的歐幾里得太空望遠鏡，今年發射後將繞行太陽六年，拍攝宇宙的 3D 圖；日本宇宙航空研究開發機構 JAXA 的 X 射線成像、光譜任務 XRISM，則是繞地球軌道運行的太空望遠鏡，將探測來自遙遠恆星和星系的 X 射線，預計在今年 4 月升空。

在地球上，位於智利的薇拉魯賓天文台（Vera C. Rubin Observatory）將於今年 7 月啟用；其望遠鏡採用特殊的三鏡面設計，相機包含超過 30 億像素的固態探測器，每三個夜晚就能掃描整個南天，也是監測可能危害地球小行星的守護者之一。而世界上最大的可動望遠鏡——新疆奇台射電望遠鏡（QTT）也將在今年完工；其口徑達 110 公尺，能夠觀測天空中 75% 的星星。

No. 2 好多月球任務，還有一個鐵小行星

2022／12／11 這天，包括阿拉伯聯合大公國的拉希德漫遊者月球車、NASA 的月球手電筒立方衛星、以及日本的白兔 HAKUTO-R M1 登陸器，共同搭乘 SpaceX 的獵鷹九號發射升空；HAKUTO-R 如今正緩緩帶著拉希德前往月球，預計在今年 4 月著陸。

而印度太空研究組織 ISRO 的第三次探月任務月球飛船 Chandrayaan-3，預計今年年中發射，並於月球的南極著陸。

還有首次民間人士的月球之旅 dearMoon。SpaceX 的 Starship 將載著 11 位平民上太空，包含創業家、明星跟 YouTuber；如果 Starship 成功發射，將會成為史上最大的火箭。Blue Origin 的 New Glenn 也預計在今年首度發射。若兩者都成功，將推動太空科學與商業進入新時代，讓進入太空的成本大幅下降。

歐洲太空總署的木星冰月探測器 JUICE 也將在今年 4 月升空，並於 2031 年抵達木星系統；目標是研究木星以及三顆衛星：木衛二三四的環境，了解他們有沒有可能支持生命存在。

NASA 將於今年 10 月後發射延遲了一年的 Psyche 靈神星小行星軌道飛行器，其研究對象為 16 Psyche 靈神星小行星；科學家認為它可能不是一般的小行星，而是一顆年輕行星裸露的鐵核心。如果今年順利發射，將在 2029 年到達。 

看來對太空迷來說，2023 又將是幸福熱鬧的一年。

No.1 GPT-4 跟 AlphaFold 的衝擊波襲來

借過借過，AI 已預約登上 2023 年最大科學事件！

如果 GPT-3.5 開發的 ChatGPT 還沒有嚇到你，那 GPT-4 就要來了！

而在科學領域，DeepMind 的 AlphaFold 帶來的衝擊不亞於 ChatGPT；它能夠根據蛋白質的一維氨基酸序列，準確預測折疊後的三維形狀，對生物與醫療研究影響非常大。 AlphaFold 2 於 2021 年發布了另外 2 億多種蛋白質的結構，幾個月來，來自 190 個國家／地區、超過 50 萬名研究人員，使用 AlphaFold 研究了 200 萬種不同的蛋白質結構。另外，Meta 的 ESMFold 的速度甚至又比 AlphaFold 快 60 倍，預測的蛋白質超過 6 億種！

基於 AlphaFold 跟 ESMFold 的研究量將大大增加，這些龐大新知識也將開始應用於各學科，包括新疫苗和塑膠開發。

法規管制總是比科技進步緩慢，隨著 AI 越來越強大、滲透到社會的方方面面，各國政府必須回應。歐盟在今年將通過人工智慧法案，為使用人工智慧制定標準，其他國家和科技巨頭將密切關注，跟進與調適。

以上就是「2023 最值得關注十大科學事件」，你最期待的是哪一個？哪個是你心中的 No.1？又有哪些我們漏掉了，但你覺得該列入的呢？歡迎留言討論！

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 鎖定 2023 年的每一個科學大事件！

備受關注的再生能源

近年來，以太陽能發電的再生能源備受關注。

太陽能電池是太陽能發電的關鍵裝置，這是用半導體將陽光的能量直接轉變成電能的裝置。雖然有「電池」這個名稱，但不像乾電池那樣可以儲存電能。所以「太陽能電池」這個稱呼其實並不洽當，應該稱其為「太陽光發電元件」才對。

太陽能電池會利用到第 1 章 1－2 節提到的半導體光電效應（將光轉變成電能的現象）。不過，僅僅只透過照光，並不能從半導體中抽取出電能。要將光能轉變成電能，必須使用 pn 接面二極體（參考第 1 章 1－8 節）才行。

圖 5－1(a) 為 pn 接面二極體，p 型半導體有許多電洞做為載子，n 型半導體內則有許多電子做為載子。這個 p 型與 n 型半導體接合後，接合面附近的電洞會往 n 型移動擴散，電子則會往 p 型移動擴散，如圖 5－1(b) 所示。

移動擴散之後，接面附近的電子與電洞會彼此結合，使載子消滅，這個過程稱為複合。結果會得到圖 5－1(c) 般，沒有任何載子存在的區域，這個區域就稱為空乏層。

接面附近的空乏層中，n 型半導體的帶負電電子不足，故會帶正電；另一方面，p 型半導體的帶正電電洞不足，故會帶負電（圖 5－1(d)）。

因此，n 型與 p 型半導體之間的空乏層會產生名為內建電位的電位差，在接面部分形成電場。這個電場可以阻擋從 n 型半導體流出的電子，與電子從 n 型流向 p 型的力達到平衡，故可保持穩定狀態。

這種狀態為熱平衡狀態，放著不管也不會發生任何事。也就是說，接面上有內建電位差之壁，不管是電子還是電洞，都無法穿過這道牆壁。

在這種狀態下，如果陽光照入空乏層，半導體就會在光能下產生新的電子與電洞，如圖 5－2 所示。此時，新的電子會因為內建電場所產生的力而往 n 型半導體移動，新的電洞則往 p 型半導體移動（圖 5－2(a)）。於是，電子便會在外部電路產生推動電流的力，稱為電動勢。

在光照射半導體的同時，電動勢會一直持續發生，愈來愈多電子被擠入外部電路，於外部電路供應電力。被擠出至外部電路的電子會再回到 p 型半導體，與電洞結合（圖 5－2(b)）。我們可以觀察到這個過程所產生的電流。

目前太陽能電池的大部分都是由 Si 半導體製成。以 Si 結晶製成的太陽能電池結構如圖 5－3 所示。

為方便理解，前面的示意圖中，都是以細長型的 pn 接面半導體為例。但實際上，太陽能電池所產生的電流大小，與 pn 接面二極體的接面面積成正比。所以 pn 接面的面積做得愈廣愈好，就像圖 5－3 那樣呈薄型平板狀。

前面的說明提到，陽光可產生新的載子，這裡讓我們再進一步說明其原理。

圖 5－4 為 Si 原子之電子組態的示意圖（亦可參考第 38 頁圖 1－11）。Si 原子最外層的軌道與相鄰 Si 原子以共價鍵結合，故 Si 結晶的軌道填滿了電子，沒有空位（圖 5－4(a)）。

若摻雜雜質磷（P）或砷（As）等 15 族（Ⅴ族）元素，形成 n 型半導體，便會多出 1 個電子。這個電子會填入最外層電子殼層的最外側軌道（圖 5－4(b)），與共價鍵無關，故能以自由電子的狀態在結晶內自由移動。

由於電子軌道離原子核愈遠，電子的能量愈高，所以位於最外側軌道的電子擁有最高的能量（參考第 57 頁，第 1 章的專欄）。最外側軌道與最外層電子殼層的能量差，稱為能隙。

另一方面，如果是摻雜鎵（Ga）或銦（In）等 13 族（Ⅲ族）元素的 p 型半導體，會少 1 個電子，形成電洞。這個電洞位於最外層電子殼層，能量比自由電子還要低（圖 5－4(c)）。

空乏層不存在自由電子或電洞等載子，此處原子的電子組態皆如圖 5－4(a) 所示。

陽光照進這個狀態下的空乏層區域時，原子的電子會獲得光能飛出，轉移到能量較高的外側軌道（圖 5－4(d)）。此時的重點在於，電子從光那裡獲得的能量必須大於能隙。如果光能比能隙小的話，電子就無法移動到外側軌道。

光的能量由波長決定，波長愈短，光的能量愈高（參考第 217 頁，第 5 章專欄）。光能 E（單位為電子伏特eV）與波長 λ（單位為 nm）有以下關係。

E［eV］＝1240／λ［nm］

另一方面，抵達地表的陽光由許多種波長的光組成，各個波長的光強度如圖 5－5 所示。

由圖可以看出，可見光範圍內的陽光強度很強。陽光中約有52％的能量由可見光貢獻，紅外線約佔 42％，剩下的 5～6％ 則是紫外線。

若能吸收所有波長的光，將它們全部轉換成電能的話，轉換效率可達到最高。不過半導體可吸收的光波長是固定的，無法吸收所有波長的光。

Si結晶的能隙為 1.12eV，對應光波長約為 1100nm，位於紅外線區域。也就是說，用 Si 結晶製造的太陽能電池，只能吸收波長小於 1100nm 的光，並將其轉換成電能。

不過，就像我們在圖 5－5 中看到的，就算只吸收波長比 1100nm 還短的光，也能吸收到幾乎所有的陽光能量。

光是看以上說明，可能會讓人覺得，如果半導體的能隙較小，應該有利於吸收波長較長的光才對。不過，並不只有能隙會影響到發電效率，圖 5－6 提到的光的吸收係數也會大幅影響發電效率。光的吸收係數代表半導體能吸收多少光，可以產生多少載子。

有幾種材料的光吸收係數特別高，譬如 Ⅲ—Ⅴ 族的砷化鎵（GaAs）。GaAs 的能隙為 1.42eV，轉換成光波長後為 870nm，可吸收的光波長範圍比 Si 還要狹窄。但因為吸收係數較高，所以用砷化鎵製作的太陽能電池的效率也比較高。

總之，GaAs 是效率相當高的太陽能電池材料。然而成本較高是它的缺點，只能用於人造衛星等特殊用途上。即使如此，研究人員們仍在努力開發出成本更低、效率更好，以化合物半導體製成的太陽能電池。

——本文摘自《圖解半導體：從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》，2022 年 11 月，台灣東販出版，未經同意請勿轉載。