核能復興十二部曲：核融合反應是怎麼發電的？

　　今年(2026)適逢美國建國250周年國慶，給「川皇」的賀禮想必你也看到了吧，滿滿的核能大禮包！這些核能的進展代表什麼意思很多人看不懂，核融合反應也給人一種很神秘的形象，不過發電過程就沒那麼神秘了，實際上就是遵循能量守恆定律（註一），也就是各種形式的力包含動能與位能等在封閉系統中總量不變，只是各種能量的轉換。

核融合是怎麼發電的？

　　讓我們用能量守恆定律的各種能量轉換來理解核融合發電原理。下圖一是核融合發電的流程圖，來自核子鏈結的位能，在核融合反應下轉成了反應產物（如中子）的動能，當與冷卻劑的分子碰撞反應，動能轉到冷卻劑上，高溫冷卻劑流到熱能轉換器中產生了高熱（動）蒸汽，高動能的蒸汽衝擊渦輪發電機，狂轉的渦輪葉片動能最終轉成了電能輸出。

　　生活中無處不遵循能量守恆定律。電能經過輸配線路送達全國各地，通了電的電器中的馬達，電轉磁再轉成旋轉的動能作功，功的單位與能一樣，也等同是能量，冰箱把熱搬出來冷凍食物，電扇冷氣調整空氣中的熱量；在電燈中變成了光能（光也是種電磁能）；在音響中透過電磁變成喇叭震盪的動能，再激動空氣分子，形成了聲能（波）；電腦中不斷的電磁轉換，驅動微電路開關作高速運算，輸出成銀幕的光能與喇叭的聲能。手機及電動車充電時電能轉為電池的化學能，出門開車時化學能轉成電能，再轉成馬達的動能，驅動輪子跑起來；火車與捷運，直接將電能轉馬達的動能；無遠弗屆的無線有線網路，更是不斷的電磁互換。而這些所有的能量轉換，最後的宿命就是排到環境的廢熱。

　　電是最精練、最方便的能量。之前造訪黃石公園夜宿小木屋中，除了照明外，一切與電隔絕，更別說手機網路，仿佛一下子穿越到了古代。現代文明基本上是由電能一手撐起，試問，三天不吃不喝不睡與三天沒有手機網路沒有電，孰可忍孰不可忍？

（圖一）核融合發電流程圖
資料來源：Mobile01

挑戰終極聖杯：無中子核融合反應，連轉換都不用了，直接發電！

　　中子是核分裂反應的關鍵至寶，沒有中子就不能分裂原子，也不能達到持續的連鎖反應，但中子在核融合卻可是個麻煩製造者，以門檻最低也最普遍的氘–氚核融合反應過程，反應物沒有中子，但產物中子能量卻高達14.1 MeV（一般核分裂發電的中子被降速到0.025 eV），因中子不受電磁場影響，只能靠堅實反應爐壁硬頂死磕，若不小心撞壁，不但超高動能會化成強熱，結構材料的原子也會轉化產生氦氫氣體，造成金屬晶格變形、脆化及腐蝕，以致材料結構破壞等，是核融合工程的超級挑戰之一。

　　雖說核融合溫度要求更高，十億度的粒子動能不過是100 keV，現代高能物理已進到了TeV（註二），這些新創公司本就多有高能物理背景的人才，許多突破正是借助了粒子加速器的技術。說得輕巧，但也衍生出不少新工程艱鉅挑戰。

　　超級挑戰就更需要夢幻絕招破解，有核融合新創公司乾脆跳過這道難題，選擇無中子反應，生成的高能氦或氫離子，這些帶電粒子便可用電磁場加以掌控，直接發電。建議看到這裡暫停一下，回頭看十一部曲的註一，再往下看：

• 靜電式直接轉換(Electrostatic Direct Conversion)，類似粒子加速器的逆向運作，將帶電粒子引入電場中減速，在電極蒐集產生高壓直流電。
• 磁脹感應轉換(Magnetic Expansion/Induction)，高溫電漿膨脹並壓縮外部磁場時，在感應線圈中誘發電流，類似電動車回收煞車動能成電能。過程是磁場對材料的施力、變形改變磁通量而生感應電壓，是電磁機械能到電能的轉換。

　　直接發電跳過動能轉熱能、轉蒸汽動能，去掉了冷卻劑迴路及蒸汽迴路兩大迴路，大幅提升能源效率，占地也比 SMR小很多，這是為什麼無中子核融合反應被稱為終極聖杯，也是LCOE敢喊出十美元跳樓價的底氣。

　　同場加映兩個非典型的核融合：

• 渺子催化核融合(Muon‑Catalyzed Fusion)：渺子比電子重207倍，可讓氘氚原子靠得很近，在常溫甚至低到液氫溫度下也能發生融合，是千真萬確的「冷融合」。但渺子壽命極短只有2.2 微秒，每個渺子只能催化約100次核融合反應，且渺子不存在這世上，目前生產渺子的能量遠大於核融合產生的能量，還待重大突破，這算盤才打得了。
• 電磁夾縮(Pinch)：試著想像空中閃電炸雷或家中短路那種瞬間大電流暴走的恐怖威力，電磁夾縮正是用超大電流產生的極強磁場瞬間「捏爆」電漿到核融合，是最直接的磁約束方式，簡單、成本低、可微型化。

核融合有無可能彎道超車核分裂？

　　核融合有可能彎道超車，取代新世代核分裂。什麼？你沒聽錯，而且超車的原因竟然是因為核融合太安全了。

（表一）核能安全三指標各技術路線評比
資料來源：王曉中

　　因此，全球共識是核融合不等於核分裂，不適用傳統核電廠法規，而應採「風險導向、輕量化、類粒子加速器」的監管模式。美國的核融合電廠不受核分裂電廠的10 CFR 50/52 管制，而是採10 CFR 30副產物放射物質規範管理，重點在輻射防護、氚管理、工業安全、及除役與廢棄物處理，是全球最具指標性的監管決策。

　　核融合電廠也不需要PRA(Probabilistic Risk Assessment)、EPZ(Emergency Planning Zone)、圍阻體、燃料循環等法規要求，審查時程可大幅縮短至三年內，跟核分裂動輒需要十年以上、SMR也要三到五年的審查比起來，這正是核融合有可能彎道超車的原因。

　　比起核分裂發電，核融合沒有會失控的連鎖反應風險，政府管制相對地寬鬆很多，所依據的主要是粒子加速器及一般放射線物質的法規。核融合商轉實現的真正挑戰在於各種工程上的突破，而這恰是最刺激的極限運動，夢幻新招層出不窮。去掉了核電最難纏的政府管制緊箍，核融合與核分裂SMR武林爭鋒誰先勝出，話可不要說得太早。

（註一）能量守恆是傳統物理的基石，卻是最難摸清的概念，愛因斯坦的質能互換總算把能量守恆安上了定海神針的質量，但整套核能復興交響大曲中各種能量變化繁複，有好奇心的綠學院讀者們，請跟著我。

十七世紀與牛頓共同發明微積分的萊布尼茲(Gottfried Wilhelm Leibniz)提出了物體運動的「活力」（動能）在碰撞中守恆。1829 年，法國科里奧利(Gustave Gaspard de Coriolis)定義了現代意義上的「動能」與「功」，並提出動能定理。隨著熱與力學的發展，1842 年德國邁爾(Julius Robert von Mayer)提出熱與機械能的互相轉換，同期英國焦耳(James Prescott Joule)展開長達十年的一連串實驗，精確算出熱與機械能的轉換，確立了能量守恆的實驗基礎。德國亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz)在 1847 年從數學上論證各種形式的力包含動能與位能等，在封閉系統中總量不變，奠定了能量守恆定律。1905年愛因斯坦更進一步將能量守恆及質量守恆合成了質能守恆。

其實熱、質量、能量、功，在物理上的單位因次完全相同，翻成白話文的意思是本質完全相同。如能量及功的常用單位是焦耳(J)，但若轉成國際標準基本單位如質量、長度及時間則是 1 J = 1 kg.m²/s²，也就是E=mc²的單位， 能量可以作功，所以單位本來就該一樣，功是力乘以距離，力是質量乘以加速度，所以功(J) =力(N)×距離(m)=質量(kg) ×加速度(m/s²)×距離(m)，就得出了相同的單位，從快速的方程式左右兩邊單位驗證，到工程上複雜的維度分析，這是不可或缺的實用利器。所以質能守恆就是廣義的能量守恆，也就整合成了這個世界中的各種能量轉換流動。現代文明只要有電，基本上所有的功都可輕鬆達成，說是生活中最強的能源貨幣一點也不為過。

（註二）eV（電子伏特）是原子物理的特別能量單位，指一顆電子在一伏特電位差下所獲得的能量，而在核能反應中的粒子能量可以跨越很多個數量級，在不同場合的單位會搭配不同的頭前字，如同我們日常生活中體重會用公斤(kg)，維他命成分會用毫克(mg)。國際標準單位頭前字用法如：1 TeV = 10³ GeV = 10⁶ MeV = 10⁹ keV = 10¹² eV