2008年十大軍事科技報導新聞

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

• 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。

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有效運用當今的再生能源技術和改良輸電方式，無疑都是當務之急，也不要忘記，多數國家不像美國這麼幸運，有充足的太陽能和風力資源。美國可以寄望未來以再生能源獲取大部分電力，這不是一種普遍現象，而是例外。因此，在美國更有效運用太陽能和風力的同時，全球還是需要有清潔電力的新發明。

核能發電的優勢和疑慮

如果要簡短說明核能發電，那就是：這是唯一已證實可以不分晝夜、不分季節、不挑地點，穩定且大規模發電的零碳能源。

沒有任何其他清潔能源能做到目前核能發電給我們的這些好處，而且是還差得很遠。在利用水泥、鋼鐵和玻璃等材料的效益方面，核能發電廠也是第一名。下圖表呈現出不同發電方式下，每單位發電量需要消耗多少材料。

核電有很多問題已經不是什麼祕密，興建核電廠的成本目前已變得很高。人為疏失會導致意外事故，核電廠使用的燃料——鈾，有可能被用來製造核武，存放有危險性的核廢料也是棘手的問題。發生在美國三哩島、前蘇聯車諾比，以及日本福島的核電廠事故備受矚目，使這些風險成為焦點。造成這類核災的問題確實存在，但我們面對的方式應該是著手解決問題，而非直接停止發展這個領域。

核能發電造成的人命傷亡遠遠少於汽車，事實上，也遠遠少於任何一種化石燃料（見下圖表）。

新的技術 打造更安全的核能設施

儘管如此，核能發電技術還是應該要改良。把造成事故的問題逐一分析清楚，再設法以創新來解決。我對泰拉能源（TerraPower）設計的方案十分樂觀，泰拉能源的反應爐可以使用多種不同的燃料，包括其他核電廠的核廢料。這種反應爐產生的廢料也比現有核電廠少得多，同時採取全面自動化，排除人為疏失的可能性，又可以建造在地底，避免遭到攻擊。最後一點，反應爐運用巧妙的設計來控制核反應，本身就很安全。運用物理定律，事故基本上不會再發生。

泰拉能源要落實到興建新的核電廠，恐怕還要等很多年，到目前為止，我們設計的反應爐都只存在於超級電腦中。另一方面，我們正與美國政府積極合作，共同打造一座新一代核電廠的原型。

——本文摘自《如何避免氣候災難：結合科技與商業的奇蹟，全面啟動淨零轉型新經濟》，2023 年 ３ 月，天下雜誌出版，未經同意請勿轉載。

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本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

你願意當未來世代的守護者嗎？

如何維護世代正義，正逐漸受到世界各國的矚目。臺灣也不例外，過去幾年，我們面臨核能去留、藻礁保育、淨零轉型、18 歲公民權等關乎未來環境與國家發展的議題。要不要守護未來世代？多數人都會說要！但如果守護的代價必須犧牲部分利益呢？中央研究院「研之有物」專訪院內政治學研究所冷則剛研究員、淡江大學公共行政學系黃寄倫副教授，從多國設立未來委員會與相關制度的經驗，分析世代正義的政策意涵，更為臺灣找出化解問題癥結的關鍵。

「世代正義」是什麼？

什麼是「世代正義」？世界環境與發展委員會（WCED）於 1987 年發布的《布蘭特報告》（Brundtland Report）中，有關永續發展的定義即提出對世代正義的關懷：

人類的發展能夠滿足當代的需求，且不致危及後代子孫滿足其需求的能力。

換而言之，世代正義要守護的未來世代，主要是尚未出生的未來人類。中研院政治所研究員冷則剛指出關鍵的衝突點。由於未來世代尚不存在，很難為沒有主體的群體主張權利。然而未來世代的命運會受到當代人群的影響，是不爭的事實，因此多數國家就此主張：我們有守護後代子孫永續長存的義務。

冷則剛進一步指出，如果我們用廣義的角度來看，或許將已出生、但還不具備公民權的兒少也納入未來世代，是較能說服人們的說法。

以核能去留問題為例，我們可從中體會現今政策對未來世代的深遠影響。核能發電帶來穩定的電力、低廉的電價，卻也產生核廢料處置及核電廠工程風險評估問題，成為未來世代需一肩扛起的重擔。但是未來世代無法為自己表達意見，有賴當代公民為其做出適當的選擇。

淡江大學公行系副教授黃寄倫表示，世代正義是放諸多國皆有的問題，因民主制度本身與世代權益存在根本矛盾。當代人群對於保護未來世代的「誘因」不足，雖然守護未來世代在道德上很合理，但政治人物會為了「選票」而優先處理當前問題，形成為人詬病的政治短視缺陷。

那麼，我們能否設計出因應此缺陷的監督機制？來看看其他國家如何在體制內設計守護未來世代的機制。

未來世代的守護者——各國的選擇

聯合國環境與發展會議（UNCED）早在 1992 年就提出「未來世代監察員」（Ombudsperson for future generations）與「未來世代守護者」（Guardian for future generations）的運作架構，用來監督會影響未來世代福祉的政策制定、決策及執行狀況。接著，開始有國家在體制內設立「未來委員會」（Future commission），針對相關議題提供充分且易懂的資訊，並改善民眾與政府的溝通管道，讓大眾在做決策時有參考依據。

在設立未來委員會的國家當中，芬蘭、以色列是較為先進的代表，而鄰近臺灣的日本、韓國雖未設立未來委員會，但在國家政策中已開始關心未來世代的權益。

● 芬蘭未來委員會：跨部會的諮詢智庫

芬蘭議會從 1993 年開始運作未來委員會，由 17 名議員組成諮詢智庫，主要職責為與政府部門溝通協商會影響未來世代的政策，包含：能源發展、人口變遷、基因改造作物、資訊科技對高齡者影響等政策。此外，委員會需研擬新政府 4 年任期內的「未來遠景報告」，針對未來經濟、社會、科技發展策略提出建言，檢視與分析各項政策的合理性與正當性。

● 以色列未來委員會：擁有審議權的監督機關

以色列則在 2001 年成立未來委員會，每 5 年為一屆委員會的運作週期，關注自然資源、教育、健康、科技等政策。特別的是，委員會不只是提供諮詢服務的智庫，還能提出法案、調查或調解爭議案件，對於立法者更擁有議案否決權。不過，以色列政府在 2011 年宣布，因經費因素，決議終止委員會的任務。此一委員會短短 10 年即走入歷史。

● 日本的做法：世代正義納入法律保障

日本並未設立未來委員會，而是將未來世代的權益納入法律保障。日本憲法明確規定：「憲法所保障的人民基本人權，應是賦予人民與『未來世代』擁有永恆且不可侵犯的權利。」2015 年，日本政府更通過《國民投票法》修正案，將投票年齡從 20 歲下修至 18 歲，賦予更多年輕世代參與公共事務、謀取未來福祉的權利。

各國世代正義監督機制的共通點為：在功能上，多是跨領域的智庫，形成超越黨派、跨部會的協商平台；在組織上，多在國會中設立，能監督政府施政、與社會大眾溝通。

臺灣的政黨鬥爭：核能公投帶給我們的反思

在討論臺灣如何守護世代正義之前，我們先來釐清臺灣的政治現況。從核四公投即可發現，政黨之爭是導致未來政策懸宕不前的原因之一。各陣營通常只從對自己有利的角度來闡釋意見，最後演變成訴諸政治意識形態的衝突。事實上，擁核或廢核各有其立論基礎，關鍵在政府應該去創造一個讓人民能理性討論的空間，充分了解選擇或放棄核能的優缺點為何？要付出什麼代價？

以南韓的核電廠公民審議為例，時任總統的文在寅於 2017 年上任後，原先承諾停建的核電廠新古里 5、6 號機組，因工程只進行三成就花費高達 1.6 兆韓元（新臺幣約 367 億），決定推動公民審議，交由全民決議是否停建核電廠。在三個月內，南韓政府在全國進行隨機電訪，最終抽出 500 位公民代表，並經歷數場諮詢委員會、公開座談會、電視討論會，以及公民代表與未來世代（高中生）的討論會等。最後，進行三天兩夜的最終綜合討論會，得出公民審議結果。

在充分討論後，最終有 59.5% 公民代表決議恢復核能機組的建設計畫，但也有 5 成民眾希望逐步降低核能發電比例。因此南韓政府決定續建核電廠，也強調未來會朝階段性減核目標邁進，並提出能源轉型路徑。

南韓沒有公投法，只能由政府發起公民審議。反觀臺灣，我們有發起公投的機制，但理性且務實地決議未來政策卻相對不足。冷則剛認為，臺灣的公投問題出在科學論述不足，優缺點未正反並陳，政黨之爭模糊了議案焦點。他提出質疑，難道年輕人真的都反核嗎？高齡者真的都擁核嗎？不同世代的意見應該是多元並進，而不是彼此敵視。如何從立場爭執、世代衝突，轉而共同為未來發展理性討論？是臺灣社會需反思的課題。

納入兒少意見：18歲青少年的公民權

如果將 18 歲以下、未取得公民權的兒少視為廣義的未來世代，怎麼在公民表決時納入兒少意見，成為少子化時代下尊重未來主人翁、落實世代正義的關鍵。目前已有多國選擇下修公民投票年齡，讓更多年輕世代參與公共事務。

在亞洲國家中，日本在 2015 年通過《國民投票法》修正案，南韓也在 2020 年依據《公職選舉法》，紛紛將投票年齡下修到 18 歲。尼加拉瓜、奧地利、曼島等部分國家甚至將投票年齡下修到 16 歲。

臺灣在行政院與各縣市設有青年諮詢委員會，但都著重在意見諮詢，決策上並無強制力。直到 2022 年 3 月 25 日，立法院才通過 18 歲公民權修憲案，明定國民年滿 18 歲者，有依法選舉、罷免、創制、複決及參加公民投票之權。此案將在同年 11 月 26 日舉行公民複決，這也是我國史上首次交付公民複決的修憲案。

對於下修公民權年齡，冷則剛舉雙手贊成，青少年也是廣義的未來世代，他們的想法應該被重視，而這也是臺灣處理世代問題的具體展現。黃寄倫則認為這是一個很好的契機，可以將世代正義的理念推廣出去，讓政治人物嗅到民意的新風向，進而提出更多有益世代正義的政策。

台灣的未來：公民意識的覺醒

面對世代正義問題，借鏡國外經驗，臺灣還可以怎麼做？冷則剛、黃寄倫建議在立法院內成立「世代正義與永續發展委員會」，其最重要的功能是，喚醒全民與執政者守護未來世代的意識，進而監督與協調各部會的施政，撰寫白皮書建議長遠的政策方向。同時，成立與人民共享的資訊傳遞平台，交流並觸發更多有建設性的想法。

世代正義議題不是未來式，而是當務之急，有賴觀念、文化與制度的相互配合。冷則剛認為，在實踐世代正義之前，必須先培養三項民主素養：

公民意識覺醒、科學理性討論、世代之間共學

如果公民沒有意識到問題癥結，也沒有多元且充足的參考資訊，可能會被政治力量影響判斷，演變成世代之間的意識形態衝突。世代之間如何相互學習、尊重、攜手守護未來世代？我們還有一段路要走。