核能復興十部曲：投資人青睞的核融合技術路線解析

　　過去幾個月，我們談完了非常燒腦的核分裂，包含其應用高溫電解產氫氣這種非常前沿的綠色科技，這時，你不免想起過去六十年帶著渣男形象的核融合，總是騙你「再三十年即可商轉」，然後一次又一次地跳票。

　　核融合現在過得好嗎？還會再騙我們一次三十年嗎？

　　以技術的角度，我可以很負責任地說，你我有生之年有機會見證核融合發電成真。

　　伴隨著全球核能復興，這幾年核融合新創公司數如雨後春筍般出現，超過百億美金的資金湧入，2025年全球投資創下單年新高，更是核能年會主題焦點之一。跟核分裂比起來，核融合的技術路線非常多，當技術實現突破、AI算力瘋狂渴求、加上明星級投資者的背書，核融合新創公司充分展現了快速更迭突破、小而狠的本色，一舉超前多年來國家級及國際合作的大型計畫，核融合商轉最後衝刺已然開始！

太陽的核融合與人工核融合差異是什麼？

　　從《核能復興首部曲：AI的盡頭是能源之群龍無首》圖一的核子束縛能曲線看出，前面陡升段核子由輕變重是核融合，身為宇宙中最基本的恆星核融合，用的是最簡單的氫原子核（質子），請見下圖。

（圖一）太陽的氫核融合
資料來源：EUROfusion

以太陽為例，它比地球大130萬倍、密度高達150 g/cm³、近兆的大氣壓力，反應效率低但時間無限。地球沒有這麼優渥的條件，只能選氘–氚核融合反應，因為這是可行核融合反應中最容易點燃、所需溫度最低、反應率最高的組合，請見下方公式。以太陽為例，它比地球大130萬倍、密度高達150 g/cm³、近兆的大氣壓力，反應效率低但時間無限。地球沒有這麼優渥的條件，只能選氘–氚核融合反應，因為這是可行核融合反應中最容易點燃、所需溫度最低、反應率最高的組合，請見下方公式。

21D + 31T → 42He (3.5 MeV) + 10n (14.1 MeV)     ~10–20 keV     1–2×10⁸ K

　　所謂的容易，是因為只需要上億度的高溫。首先，十萬度的溫度就足夠把氘氚化為電漿態，這是固、液、氣三態後的第四態；接著，需要千倍以上能量克服庫倫障礙（也就是電斥力）將氘氚送作堆，太陽有很強大的重力場所以沒問題，但地球沒有那麼強的重力場，只能另用磁力及慣性力代之，核融合的數十種技術（註一）基本都是為了解決發力方式而分支出來。

投資人青睞的兩種核融合技術路線

　　核融合技術公司為了要商轉，投資人為了要獲利，一定會選短期最有可行性的技術，因此我們不需要懂全部的技術，只需要看懂他們用腳投票的兩大技術路線：磁約束(Magnetic Confinement)、慣性約束(Inertial Confinement)。

核融合技術路線一：磁約束(Magnetic Confinement)

　　磁約束用的力是磁場，將高溫氘氚電漿鎖在特定空間中，維持夠久高密度與高溫，以產生核融合。這條技術路線下面還有三大分支：

1. Tokamak

　　這是目前全世界最主流的設計。1950年，一位高中沒畢業、前蘇聯庫頁島的紅軍小兵奧列格拉夫．連季耶夫(Олег Лаврентьев)，大膽直接地给最高領導人蘇维埃寫了封氫彈和熱核反應堆方案，這就是核融合反應爐Tokamak概念的起源。

　　Tokamak 的核心概念是用磁場把高溫電漿控制在環形容器裡且不碰壁，維持足夠密度與時間來進行核融合反應。以兩組磁場構成環形閉合隧道，外部線圈產生環向磁場(toroidal field)，讓電漿沿著甜甜圈方向跑；電漿本身電流產生極向磁場(poloidal field)，扭成螺旋磁力線，形成穩定的甜甜圈磁瓶。靠著外部加熱電漿，強大磁場控制維持穩定的隱形容器，讓上億度的電漿浮在環形閉合隧道中，不斷地加速、也就是加溫螺旋纏進，最後氘氚原子核碰撞融合，產生巨大的能量。

（圖二）Tokamak示意圖
資料來源：https://www.fmboschetto.it/tde4/tokamak.htm

　　氘氚能量要高到一定程度，才能形成核融合反應，但粒子加速要有機制也要有時間，環形的跑道可以讓粒子周而復始地跑下去，也可以不斷地電漿加溫到所需要的能量(10–20 keV)。高溫電漿絕對不能碰到反應爐壁，因為任何材料都會因億度高溫而瞬間灰飛煙滅，電漿是一大堆的帶電粒子，既有帶電就可用磁場控制，電場可改變速度（能量），但磁場可改變方向（註二），想像運動中的帶電粒子是行進的摩托車，轉彎是靠左側的龍頭把手，磁場向下，等於左把手下壓，就會左轉，反之則右轉，適度的磁場轉向便可形成周而復始的閉路迴圈。但電漿不是單獨的帶電粒子，而是很多很多帶電離子，彼此會有電斥力，且高能量、高溫也是高擾動，需要用磁場箍住離子束不發散，相當於槍管裏的膛線，造成子彈高速螺旋前進，彈道才能穩定，所以在Tokamak的設計，除了離子束繞大圈的環向磁場，更有控制螺旋前進的極向磁場。

2. Stellarator

　　比起Tokamak簡單對稱的幾何結構，Stellarator則賴外部繁複的「三維幾何線圈」直接生成扭麻花磁場，穩定維持電漿平衡、且將能量與粒子流失減到最低的三維磁力瓶。與Tokamak同期誕生的Stellarator概念太前衛，直到最近才在電腦的強大算力下，精準設計出超複雜磁場，磁鐵配置建造、甚至是高溫超導也在3D列印技術變得可行。Tokamak結構簡單但電漿極難控制，而Stellarator則是在設計與製造階段就將所有複雜度鑄入的精雕藝術品。在精準磁場下，高溫電漿超穩定連續運行，是核融合商轉最具潛力的候選者之一。

（圖三）Stellarator示意圖
資料來源：維基百科

3. 場反轉組態(Field-Reversed Configuration, FRC)

　　Tokamak用三套複雜的磁鐵系統包含中央螺管、極向場線圈、環向場線圈產生強大的環向及極向磁場，維持電漿穩定，FRC則是緊湊拓撲結構，利用外加軸向背景磁場（圖四紅色箭頭處）施力電漿電漿團形成環向運動，繞中心軸轉，強大的環向電流產生環繞電流的極向磁場，導致電漿團內部不但抵消了外加磁場，進而反轉，形成閉合磁力線（圖四綠色箭頭處）的自生穩定結構，包浮壓縮著橄欖形電漿煙圈，這就是場反轉命名由來。背景磁場只用於開始時形成RFC，形成後電漿環流自生的極向磁場，就是維持RFC所需的唯一主磁場。

（圖四）場反轉組態示意圖
資料來源：Princeton University

　　這幾年資金大舉湧入FRC路線，主要是三大顛覆性優勢：

• 超高β值：β值是電漿壓力（外脹）與磁場壓力（內箍）的比值。FRC的β值接近完美的100%（Tokamak不到 10%），大幅降低超導的建造難度與成本
• 設備結構大幅簡化： 無複雜的磁場組設計，工程製造、維護以及直接電能轉換都變得容易許多
• 直搗終極聖杯：因為RFC能承受極高溫度與密度，所以有機會達成聖杯中的終極聖杯­「無中子核融合反應」。為什麼無中子核融合是終極聖杯？下一篇再來解答。

核融合技術路線二：慣性約束(Inertial Confinement)

　　所謂的慣性約束，是利用極高能量如強力雷射，在奈秒級的極短時間內從四周均勻轟擊微小的燃料粒，引發極限爆炸擠壓，靠物體慣性瞬間達到核融合所需的高溫高壓。比起磁約束的反應及發電是穩定連續式的，慣性約束則是脈衝式，只要頻率夠高加上超級電容等設計，也可以穩定持續供電。

　　2022年底美國NIF(National Ignition Facility)淨能量增益首度突破，所謂淨能量增益突破是指誘發的核融合能量超過了雷射撞擊的能量，為達到足夠的雷射強度，NIF用大量強閃光燈產生1微米紅外線，再轉成351奈米紫外線，最後打到金粒轉成X光，幾番折騰出1%不到的精華中的精華能量，點燃核融合好戲這才要開始，192道強力雷射萬佛朝宗精準瞬擊半徑0.1公分的燃料粒，這是當今世上威力最強的雷射。

　　NIF這一驚天點火，核融合新創公司紛紛大膽實驗更前衛的做法，例如用目前晶片工業主流的光刻機，直接用成本低、效能高的電子束驅動準分子雷射；或使用雙重雷射組合，先以奈秒級雷射將燃料球均勻壓縮到高密度，隨後超高功率皮秒級（註三）雷射，精準點火。

　　如果你覺得磁約束太慢、體積太大；而慣性約束太快、壓力太高，也可以綜合兩家之長，成為混合式(Magnetic-inertial)。這其實就是不同階段用不同力，先利用磁場將電漿聚合成FRC，然後利用氣體雷射或電磁力，在幾微秒內進行強力的機械式/電磁式壓縮。磁場負責鎖住熱量，降低冷卻速度，慣性則負責終極對決的超高壓力，等價功效但整體系統尺寸大幅縮小。

　　歡樂的時光總是過得特別快，核融合反應技術路線五彩奪目、目不暇給，我們不能停在這裡，下一篇得趕緊來談核融合發電及其他重要的技術問題了！

（註一）2025核融合產業協會年報
（註二）電磁場對運動帶電粒子的作用力可用勞侖茲力公式(Lorentz force law)描述

F→  = q(  E→  +  v→  ×  B→  )

公式中
F→ = 勞侖茲力（牛頓，N）
q = 粒子電荷量（庫倫，C）
E→ = 電場強度（伏特/公尺，V/m）
v→ = 粒子運動速度（公尺/秒，m/s）
B→ = 磁場強度（特斯，T）
除了電荷量，其他全是有方向性的向量，注意符號上標的半箭頭，電場的作用力（qE→）與電場同向，可作功改變粒子能量，即改變粒子速度，但磁場的作用力（qv→ × B→）因有速度與磁場強度的外積項，故方向與粒子運動方向垂直，不作功不改變粒子能量。
（註三）1奈秒=1,000皮秒