說明：此篇文章原本乃為泛科學Youtube影片所寫，經簡化之後，拍攝成〈缺電、輻射、核廢料有解嗎？「核融合發電」有可能嗎？〉和〈最受期待的核融合發電在哪裡？能源數據誰在膨風？〉兩部作品。又，本文並不針對核融合的技術性問題多做解釋，而是想用最少的字數，讓讀者瞭解核融合發展的全貌與大致進程。同時，此文主題也跟「世界是否應該採用核能發電」、「臺灣是否該使用核能發電」、「台灣是否該重啟核四」無關；這是三個完全不同的問題，核融合發電跟現有的核能發電技術也有所不同，無法一概而論。
《蜘蛛人2》公開預告片中的核反應爐。截圖自 YouTube。
漫威電影裡，許多情節設定都跟真實世界的科學有所關連。就前陣子上映的《蜘蛛人：無家日》來說，在公開預告片中可見到知名反派八爪博士的回歸；他不但是研究核能的科學家，在《蜘蛛人2》還打造出了核反應爐。
八爪博士的核反應爐，跟太陽可說有 87 分像；姑且不論畫面呈現得正不正確，這部機器特別的地方就在於，它是核融合反應爐，而非目前核能發電所用的核分裂反應爐。然而，這兩者差在哪裡？都已經有核能發電技術了，為什麼還要研發核融合發電？不僅如此，核融合研究甚至一度引發學術界的爭議醜聞，甚至被拿來拍成 IMDb 超低分的電影。
傳統核能發電的發展趨勢不久前（2021 年底），臺灣舉辦了是否重啟核四的公投。在選舉期間，我們或許聽過不少關於核能發電的利弊分析與討論。在溫室效應越來越受到關注、以及強調 2050 年要淨零碳排放的現代，核能發電極低的碳排放，是不容忽視的優點；但另一方面，核廢料問題，和核子事故風險，也是反核人士眼中無法接受的缺點。
不管如何，近數十年來，全球核能發電量雖然在日本福島核災後一度減少，但整體而言，仍大致呈現緩慢增長的趨勢。不過，核能在全球的發電佔比，則是於 1996 年達到 17.5% 的高峰後，開始緩慢下降。
另一方面，若比較從 1954 年到 2020 年，「開始運轉的核電廠」和「停止運作的核電廠」兩者的數目。可以發現，在 1990 年之前，開始運轉的核電廠，遠比停止運作的核電廠要多得多。但從 1990 年開始，兩者就呈現差不多的趨勢。
基於上述統計資料，大抵可以說，因為總總複雜的原因，不管是對是錯，在上世紀 90 年代以後，核電廠慢慢地不像以前那麼受到歡迎。而近年來對溫室效應的關注，以及仍是現在進行式的俄烏戰爭，會對核能發展帶來什麼影響，有待我們持續關注。
為什麼要研究核融合發電？就在核能前景尚未完全明朗的同時，我們卻也能在許多新聞媒體上看到，除了新式核分裂發電技術的研發之外，還有「Google 和比爾蓋茲投資核融合反應爐」、「世界最大核融合反應爐進入組裝階段」、「中國核融合再創新世界紀錄」、「核融合新創 Helion 獲 22 億美元資金」、「貝佐斯投資核融合新創」等，關於核融合發電的消息；美國政府和其他許多國家也都投入資源在核融合研究。
同樣是核能發電，核融合發電和傳統的核分裂發電，有什麼不一樣？為什麼許多國家與知名人士都對核融合發電寄予厚望？八爪博士又為什麼打擊蜘蛛人的正事不幹，要去研究核融合？（搞錯重點了好ㄇ）
簡單來說，核反應可分成兩大類，一是原子核分裂成其他較輕原子核，稱為核分裂（nuclear fission）；另一則是，兩個以上的原子核結合成新的原子核，稱為核融合（nuclear fusion）。因為核反應往往伴隨能量的吸收或釋放，核能電廠於是利用這一點，擷取核分裂過程中釋出的能量，作為發電之用。
至於太陽，主要由氫構成。龐大的重力將氫向內擠壓，於太陽核心產生極端的高溫和高壓，並促使氫進行核融合反應成為氦，連帶產生能量。目前的核融合研究，目的就是在地球上複製這個過程，以獲取釋出的能量。只不過，地球上並不存在如太陽核心般的高溫和高壓，所以必須人為地製造出適合的環境，核融合發電才有可能實現。也因此，有人會把核融合技術形容成人造太陽，而《蜘蛛人 2》電影裡，八爪博士製造出的核融合裝置，就長得一副太陽的樣子。
核融合發電的優點與困難相較於傳統的核能電廠，核融合發電擁有許多優點。首先，在許多人擔心的安全性問題上，核融合發電不可能出現像是爐心熔毀或熱失控等狀況。因為核融合發電所需的「燃料」（雖然核反應不算是燃燒）需要人為持續提供，而且核融合反應的環境也需要精密控制，所以一旦系統出現狀況，就會使得整個發電程序停止運作——換言之，不可能「爆走」。
但核融合發電在安全性上的優點，也是它最大的缺點——因為核融合反應實在太容易動不動就停止了，科學家們想方設法，目前也沒辦法做到讓反應爐持續不間斷地運作；換言之，它不具有商業發電的價值。也是因為這樣，我們在新聞裡常會看到，某國科學家成功突破紀錄，讓核融合反應持續了幾秒鐘或幾分鐘。而如何讓核融合反應爐能夠持續運作，就成為相關研究最重要的課題之一。
除了安全性問題之外，核能發電產生的核廢料也常為人所詬病。不可否認，目前的核能發電方式，會產生具輻射性的核廢料，半衰期從數百年到百萬年不等，而台灣一直未能設立核廢料的最終處置場，全世界至今也沒有任何一座高階核廢料處置設施正式運轉。預計最快要到 2024 年，在芬蘭才會有全球第一座的高階核廢料永久處置場正式啟用。然而，臺灣的地質條件跟芬蘭完全不同，能否找到適合的最終處置場，仍是個問號。
那麼在核融合發電，也會面臨核廢料的難題嗎？答案既是，也不是。核融合發電也會產生核廢料，但其屬於低階核廢料，基本上就是工作人員使用過後的防護衣和清潔用品，以及反應爐的腔壁等。這些核廢料的半衰期大體而言都不長；依情況而異，約數十年到數百年，其輻射水平即可回覆到接近一般環境的背景值。所以，做為結論，核融合發電還是會產生核廢料，但相較於現有的核能發電，其危險程度以及對環境的影響要小上很多。
最後，核融合發電還有另一個優勢：燃料。現在的核能發電，主要使用鈾 -235 做為燃料；雖然全球的鈾礦礦藏相對豐富，根據世界核能協會（World Nuclear Association）的估計，足夠人類再使用 90 年，但並非取之不竭。相對地，核融合發電常用的燃料是氫的同位素——氘和氚；而氫在地球上極為豐富，要製備氘和氚也並不困難。換句話說，人類完全不需要擔心核融合的燃料不夠這種事情。除此之外，在核融合過程中，還會運用到鋰，它可幫助生成反應所需的氚，而幸好鋰的存量在地球上也是非常豐富，若把陸地上和海洋中的鋰都考慮進來，同樣不需要擔心鋰會用光。[1]
核融合發電的分類在核融合發電中，為了讓相異原子核能夠進行融合，一般會將其加熱到一億度上下的高溫。一種作法是，利用雷射直接或間接加熱裝了燃料的膠囊，以誘發膠囊內部燃料的核融合反應，稱為慣性局限融合（Inertial confinement fusion）。
另一種常見的作法則是，將燃料加熱，使其成為電漿狀態。很顯然地，一億度的電漿，是沒有任何容器可以盛裝的；所以科學家會利用強大的磁場，拘束住電漿，讓核融合反應能夠穩定持續地發生，稱為磁局限融合（magnetic confinement fusion）。八爪博士製造的機器，就比較接近這樣的作法。但跟電影不同的是，現實裡的研究人員是不可能直接站在高溫電漿旁邊的。八爪博士的設計，跟現實不但有差距，而且也顯然更危險。
上述核融合發電方式，全部都需要人為地產生高溫，讓核融合得以發生——但這並不表示核融合只能在高溫環境中產生。實際上，早在 1950 年代，科學家就發現，確實有核融合反應在低溫環境即可發生，現在稱為緲子催化融合（muon-catalyzed fusion）。緲子是一種性質跟電子非常類似，但質量比電子大得多、且非常容易衰變的基本粒子。若在氘和氚組成的氫分子中，用緲子取代電子，那麼該氫分子內部的氘和氚，甚至在室溫就可能產生核融合反應。
只不過，緲子的備製不僅需要花費大量能量，其迅速衰變的性質，也讓我們很難拿來作為核融合發電之用，再考慮到其他的技術性問題，使得目前的核融合研究，都是朝著高溫的方向進行。
然而，1989 年，有兩位科學家聲稱，成功在室溫環境下，以他們發現的新方法實現了核融合反應。這樣的消息迅速獲得媒體注意，並被大肆報導，人們對實現低溫核融合又開始寄予期望。很可惜地，其他科學家嘗試複製兩人的實驗成果，卻都無法成功；另一方面，科學社群也發現了兩人實驗上的瑕疵。於是，沸騰一時的「冷融合」話題就這麼煙消雲散。現在，雖然仍有少部分人從事相關研究，但都未能成氣候。
儘管如此，或許因為冷融合很有話題性，這個議題並未在媒體上消失；2011 年美國好萊塢甚至以冷融合為主題，拍了一部 IMDb 超低分的電影，英文片名就是冷融合（cold fusion），臺灣翻譯成「關鍵核爆」，劇情甚至把幽浮（UFO）都扯進來了。
核融合發電的最低要求現實中，不管使用什麼方法進行核融合，都需要消耗大量的能量。如果產生的能量比消耗的能量還少、或者只大一點，那麼就沒有商業發電的價值。在討論核融合發電時，我們需要知道「融合能量增益因子」（Fusion energy gain factor）這個詞彙；它常用符號 Q 來表示，代表的是核融合反應爐產出的能量，和為讓反應爐運作所輸入能量的比值：
Q=Pfus/Pheat= 核融合反應爐產出的能量/為讓反應爐運作所輸入的能量
換句話說，如果 Q=1，表示核融合反應產出的能量，和輸入反應爐的能量相等，稱為損益平衡（breakeven）——當然，在這種狀況下，沒有多餘的能量能夠拿來發電。而且，再考慮到核融合反應產出的能量，並不可能全部都被收集並拿來維持反應爐的運作，一般認為，Q 的最低限度也要大於 5，才有機會收入與支出平衡。對核融合發電來說，Q 是越高越好，代表有更多比例的產出能量可作為發電之用，也是所有研究單位努力的目標。
核融合發電的現實就 2022 年的現在來說，實際上還未有 Q 大於 1 的核融合反應爐出現。但我們確實會在科技新聞中，看到一些聲稱做出重大突破、輸出能量大於輸入能量的研究出現，這是怎麼回事呢？
原因之一是，有些單位在設計實驗的時候，因為許多考量，僅使用氘做燃料，而非目前主流核融合發電使用的氘氚混合燃料；而根據僅使用氘的實驗結果，就可以在理論上推估，若使用氘氚混合燃料可以達到的 Q 值。這樣子推估出來的數字，目前最高記錄是日本的 JT-60 實驗，得到 Q=1.25。
另外一種情形，則是對輸入能量的定義有所不同。舉例來說，2013 年，BBC 刊載報導，表示位於美國加州的國家點火設施，達到「核融合反應的里程碑」，「透過核融合反應所釋出的總能量超過由燃料所吸收的總能量——這是在世上所有的核融合設施中，第一次辦到。」然而，在該實驗中，雷射對裝有核融合燃料膠囊的金屬空腔標靶（稱為「環空器」，hohlraum），輸入了 1 百 80 萬焦耳的能量，最後僅產出約 1 萬 4 千焦耳的核融合能量；換算起來，Q 值為 0.0077。但是，根據計算，雷射輸入的能量當中，只有1萬焦耳真正在燃料膠囊的核心起作用，促成了核融合發生——從這個角度來說，也是一種「核融合反應所釋出的總能量超過由燃料所吸收的總能量」，但總有作弊之嫌。
目前，融合能量增益因子的最高紀錄，是由美國國家點火設施所創下，於 2021 年達到的 0.7，由 1 百 90 萬焦耳的雷射能量，獲得1百35萬焦耳的核融合能量。只是，這樣的計算方式仍然有個問題：若要產生具有 1 百 90 萬焦耳能量的雷射，我們事實上必須使用到遠超其上的能量——如果要拿來發電，這個能量消耗也是必須考慮進去的。
目前最受期待的核融合設施在近未來之內，最接近商業發電的核融合設施，應屬位在法國南部的國際熱核融合實驗反應爐（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）。它是跨國出資、合作的核融合設施，成員包括歐盟、印度、日本、中華人民共和國、俄羅斯、韓國和美國，目前仍在建造中，預計於 2025 年開始進行初步電漿測試，並於 2035 年進行氘和氚的核融合實驗。
根據一般說法，ITER 產出能量的功率會達到 5 億瓦特，但只需要五千萬瓦特的能量輸入功率，亦即，融合能量增益因子 Q 會高達 10。這聽起來很不錯，似乎可以作為商業發電之用，或者至少很接近商業發電的目標了。是這樣嗎？
But，人生最重要就是這個 But，5 億瓦特的能量輸出功率，是指核融合反應釋出的能量，而非實際上能夠獲得的電力；有很大一部份比例的能量，都會在轉換成電力時漏失。同時，五千萬瓦特的能量輸入功率，也只是整間電廠營運需求的一部份——根據 ITER 的報告，運作整間電廠約需要 4 億 4 千萬瓦特的能量功率。換言之，儘管 ITER 應該會是近未來 Q 值最高、最成功的核融合設施，但距離商業發電，仍然有一段差距。這也是目前全球的科學家在努力克服的問題。
自己在家做出核融合反應爐？儘管核融合發電於現實中仍存在許多問題。但是，我們卻也偶爾會看到，媒體大肆渲染，某某青少年在自家做出小型核融合反應爐的新聞，難道全球科學家都被不世出的天才青少年打臉了嗎？
這類所謂自製的核融合反應爐，大體來說，就是將氘氣引入真空容器內，再利用高電壓使其互撞，並在過程中藉由測得中子，推論核融合反應存在。然而，雖然核融合反應會產生中子，但測到中子並不表示就一定是核融合反應。高速的氘原子互撞，就算沒有成功融合，仍然可能經由其他作用產生中子
另一方面，就算真的有零星的核融合反應出現，其能量產出效率必定極低，輸入的能量遠大於輸出的能量。我們可以說，要人工地讓核融合反應發生，在現代並不是問題；如何讓輸出大於輸入，且持續穩定運作，才是主要的問題。
科學的進步與成功，事實上仰賴許多前人的鋪路，後人才能在前人的基礎上順利抵達終點。如果沒有知識的累積，就期待一蹴可及、出現某個天才打臉所有人，完成前無古人的成果，雖然很有戲劇性，但幾乎是不可能的事情，現代科學研究尤其更是如此。
我們是否將見證歷史性的一刻？核融合作為未來可能的能源選項之一，無疑是值得研究的課題。過程中花費的金錢與人力縱然可觀，但天下沒有不勞而獲的事，總是要嘗試了，才會知道結果怎麼樣。人類的科學文明，就是這樣不斷地在諸多失敗和成功下，累積成現在的成果。
核融合研究，多年下來有著長足的進步，距離商業發電的目標越來越近。儘管目前看起來，核融合發電距離實用化，還有一段距離，而還要多久才能克服這最後一哩路，也很難說。但搞不好，或許數十年之內，我們就有機會目睹人類能源的歷史性突破。
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