有個笑話是這樣的：核融合是未來的能源，而且永遠都是未來 的能源。研究核融合的科學家和工程師痛恨這個笑話，他們覺得一 點也不好笑。
不幸的是，這個笑話是有歷史根據的，而且就建立在該領域的科學家們過於樂觀的預測上。早在1955年，印度籍的核子物理大師 霍米‧巴巴（Homi BhaBha）就曾經在一個國際研討會上說：「我大膽預測，我們在20年內就可以找到控制核融合反應以釋出能量的方法。到時候，就可以永遠解決全世界所面臨的能源問題。」【1】
這個預測已經過了將近60年。 根據目前的預測，核融合發電應該會在20年內實用化。這個預測會成真嗎？我認為會，而且應該就在這個世紀結束前。在我們的 有生之年可能就會看到核融合成為主要的商業發電方式，雖然它的發展太緩慢，無法解決我們在能源安全和全球暖化上的燃眉之急。
為何科學家過去會這麼樂觀？核融合反應是太陽的能量來源， 核融合的支持者喜歡強調這點，因為這讓核融合看起來非常自然。 太陽的燃料是一般的氫，宇宙中含量最多的元素。（這就是為何恆 星可以持續燃燒數十億年。）如果你以原子的數量而非總重量來看 的話，氫也是人體裡含量最多的元素。同樣地，以原子的數量來看，氫也是海洋中含量最豐富的元素。我們有用不完的氫燃料，至少幾百萬年內都不用擔心。【2】
豐富的氫曾經是核融合比起核分裂最大的優點之一，但是後來 人們發現鈾的蘊藏量同樣足以讓我們用上幾百年。而且我們同樣有取之不竭的再生能源，至少只要太陽還在燃燒就不用擔心（目前估計太陽的壽命至少還有50億年）。
核融合的另一個優點是，就放射性而言，比較乾淨。核融合產生具危險性的核廢料非常少。但並不是完全乾淨的能源。最成熟以 及即將用在未來所有大型反應爐的氫核融合反應如下：
氘＋氚→氦＋中子
在水中就含有大量的氘，但是氚非常稀有。地球海洋中所含的氚只有16磅。核融合反應一開始所需的氚必須裝備在反應爐中，但是之後反應爐中就可以自行「增殖」：讓反應產生的中子轟擊鋰就可以產生氚。
核融合反應所產生的氦既不危險，也沒有放射性，也是氣球裡填充的氣體。但是反應所放射出來的中子，雖然對氚的增殖也很重要，卻會造成問題。中子會被大多數的材料所吸收，而這些材料在 吸收了中子之後多半會變成具有放射性。雖然放射性很微弱，但是「仍然會產生一些放射性」這一點還是會成為反對者攻擊的目標。 這種恐懼部分源自人們無知地相信所有的放射性都是不好的，而且 以為我們可以也應該要將放射性完全從環境中排除。
還有一些核融合反應並不會產生麻煩的中子。其中最有趣的是氫與硼的反應：
氫＋硼→3氦＋伽瑪射線
伽瑪射線不會產生額外的放射性，只是單純攜帶能量。所以這種反應相對而言似乎比較乾淨，至少對恐懼放射性的人來說。不幸的是，要啟動這種反應的困難度高上許多，需要更高的觸發能量，因此大概不會是第一個實用化的技術。在下一節裡我會談到一間正在開發這種技術的公司，這間公司的名字三阿法能源公司（Tri Alpha Energy）就是從三個氦而來（氦原子核又稱為「阿法粒子」）。 最後，我們對核融合的未來感到樂觀的原因是，人類早在1953 年就已經成功在地球上製造出核融合反應，也就是氫彈。我們要做 的就是找出控制核融合反應的方法，可以用更緩慢而非爆炸的方式 來釋放出能量（雖然有人主張可以把許多氫彈放在地底下，在需要的時候引爆，讓水汽化以驅動渦輪）。科學家提出了許多種控制核融合反應以進行發電的方式。下面我會介紹五種最受矚目而且很適合解說的方法。分別是環磁機、國家點火設施、離子束融合、緲子融合與冷融合。
環磁機
環磁機（tokamak）是前蘇聯在1950年代所發明，原文名稱是「電磁線圈所形成之超環面腔體」（toroidal chamber with magnetic coils）的俄文縮寫。科學家很快就發現環磁機的設計優於其他的方式；過去60年間，環磁機是吸引了最多注意力與最多研究資源的核融合控制技術。
環磁機使用的是極高溫下的核融合反應，也就是所謂的「熱核融合」，與太陽核心以及氫彈內的反應相同。兩個氫原子核碰在 一起時就會發生核融合反應；強大但短距的核力（nuclear force）會 將兩個氫原子核融合在一起並且釋放出能量。問題是兩顆氫原子都 帶正電，因此靠近時會產生非常強的排斥力。在熱核融合裡，高溫 能克服這種排斥力。原子在高溫下會進行高速運動，當速度足以克服排斥力時，核融合反應就會發生。太陽核心的溫度據估計大約是1500萬度。【3】
環磁機內部的核融合反應所需的溫度高達1億度，是太陽核心溫度的7倍！溫度這麼高是因為我們的耐心有限，希望能夠快速產生能量。太陽內部製造能量的速率非常低─即使核心中最熱的部 分也只有0.3瓦/公升。這個值比你的身體釋放出來的能量密度還要低（體重75公斤的成人平均會釋放出75瓦的能量，即1瓦/公升）。 太陽巨大的體積再加上所有的熱最後都會擴散到表面，彌補了低能 量密度。但是環磁機的體積有限，所以必須用更高的溫度，以及更容易反應的燃料（氘和氚，而不是一般的氫）來提高核融合的速 率。這些重氫的原子核裡含有額外的中子；中子不會影響排斥力的 大小（因為不帶電），但是會增加核力，從而提高原子核融合的速率。
在溫度高達數百萬度的環磁機裡，沒有東西能維持固態，那我們要如何讓氫在其中反應呢？答案是使用一個以磁場而非物質所形成的容器。這種方式叫磁場局限（magnetic confinement）。這種「磁容器」應該長成什麼樣子並不是那麼顯而易見，而早先嘗試的結果都太過易漏。雖然環磁機也會滲漏，但是滲漏的速度緩慢，因此我們希望氫能夠在其中停留得夠久以進行熱核反應。
環磁機雖然穩定地取得成功但是進展緩慢。每當密度和溫度 提高時，都會產生新的滲漏問題。但是系統越來越大時，這些問題 便消失了，因為尺寸本身就有助於控制滲漏。最新型的環磁機是國際環磁機實驗反應器（International Tokamak Experimental Reactor，ITER，如圖表III.14）。它原本的名字是國際熱核反應器，但是其中的「核子」嚇壞了很多人）。國際環磁機實驗反應器的目標是產生400秒以上功率500MW的能量，這個能量是環磁機運轉所需能量的10倍。 國際環磁機實驗反應器非常地巨大（60英呎，也就是18公尺高）且昂貴，而且已經嚴重透支最 初預估的成本。它原本估計的 建造成本是50億歐元；到了2009年，這個數字已經上升到100億歐元；一年後更增加到150億歐元。預算追加的幅度比實際的成本還嚇人。如果實驗反應爐這麼昂貴，核融合真的會有競爭力嗎？科學家嘗試刪除一些次要的研究計畫來削減成本，如減少輻射損傷的檢測，但是這種作法令其他的科學家憂心忡忡。他們擔心減少這些檢測，可能會在未來造成更大的問題。如果因輻射而受損的爐壁必須經常更換的話，環磁機的成本大概永遠也降不下來。
根據表定的時程，環磁機將在2019年開始進行熱氣體注入測試，然後在2026年開始進行氫燃料核融合反應，最後在2038年完成計畫目標。到時結果具說服力的話，可能會接著展開商用反應爐的設計。 能源科技經常會遇到一個問題。當這些科技還很遙遠且抽象以取代鈾核分裂，但更加乾淨的能源。但是當一項新技術快要成真時，有時會被重新檢驗並遭到否決。綠色和平組織最近決定反對 國際環磁機實驗反應器，原因是它的造價過於昂貴。綠色和平說， 即使它真的能運作，仍要耗費數十年才能商用化來回應全世界的能源需求（正確無誤）。他們擔心一座無法在未來幾年做出貢獻的機 器，可能無法阻擋全球暖化，因此應該把這些經費花在風力、太陽能以及其他很快就能實用化的再生能源。
（全文未完）
註：
- 霍米巴巴在聯合國於1955年在日內瓦舉辦的「Atoms for Peace」研討 會的主席致詞時作出了這個預測。演說全文可參考Bhabha and His Magnificent Obsessions, by G. Venkataraman （Hyderabad, India: Universities Press, 1994）
- 第一代的核融合發電廠可能會以氘和氚，而不是一般的氫為燃料。氘是重氫，它之所以比較受重視，是因為原子核裡多了一顆中子。雖 然氘的含量只有一般氫的1/6240，但是可以便宜的方式從水中分離得到。氚是更重的氫（多了兩顆中子），而且非常稀少，因為具有放射性，而且半衰期只有12年；海水中的氚總共只有大約16磅。但是讓核融合電廠中所釋放的中子拿來撞擊鋰靶就可以製造出氚。
- 提供我們光亮的太陽表面溫度遠低於核心，只有大約6000度。但是它 擁有來自內部炙熱核心的所有能量。太陽表面不會產生核融合反應， 因為溫度太低了。
摘自PanSci 2014四月選書《寫給未來總統的能源課》，由漫遊者文化出版。
鄭國威 Portnoy
