核能复兴十部曲：投资人青睐的核聚变技术路线解析

　　过去几个月，我们谈完了非常烧脑的核分裂，包含其应用高温电解产氢气这种非常前沿的绿色科技，这时，你不免想起过去六十年带着渣男形象的核融合，总是骗你「再三十年即可商转」，然后一次又一次地跳票。

　　核融合现在过得好吗？还会再骗我们一次三十年吗？

　　以技术的角度，我可以很负责任地说，你我有生之年有机会见证核融合发电成真。

　　伴随着全球核能復兴，这几年核融合新创公司数如雨后春笋般出现，超过百亿美金的资金涌入，2025年全球投资创下单年新高，更是核能年会主题焦点之一。跟核分裂比起来，核融合的技术路线非常多，当技术实现突破、AI算力疯狂渴求、加上明星级投资者的背书，核融合新创公司充分展现了快速更迭突破、小而狠的本色，一举超前多年来国家级及国际合作的大型计画，核融合商转最后冲刺已然开始！

太阳的核融合与人工核融合差异是什么？

　　从《核能復兴首部曲：AI的尽头是能源之群龙无首》图一的核子束缚能曲线看出，前面陡升段核子由轻变重是核融合，身为宇宙中最基本的恆星核融合，用的是最简单的氢原子核（质子），请见下图。

（图一）太阳的氢核融合
资料来源：EUROfusion

以太阳为例，它比地球大130万倍、密度高达150 g/cm³、近兆的大气压力，反应效率低但时间无限。地球没有这么优渥的条件，只能选氘–氚核融合反应，因为这是可行核融合反应中最容易点燃、所需温度最低、反应率最高的组合，请见下方公式。以太阳为例，它比地球大130万倍、密度高达150 g/cm³、近兆的大气压力，反应效率低但时间无限。地球没有这么优渥的条件，只能选氘–氚核融合反应，因为这是可行核融合反应中最容易点燃、所需温度最低、反应率最高的组合，请见下方公式。

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

　　所谓的容易，是因为只需要上亿度的高温。首先，十万度的温度就足够把氘氚化为电浆态，这是固、液、气三态后的第四态；接着，需要千倍以上能量克服库伦障碍（也就是电斥力）将氘氚送作堆，太阳有很强大的重力场所以没问题，但地球没有那么强的重力场，只能另用磁力及惯性力代之，核融合的数十种技术（註一）基本都是为了解决发力方式而分支出来。

投资人青睐的两种核融合技术路线

　　核融合技术公司为了要商转，投资人为了要获利，一定会选短期最有可行性的技术，因此我们不需要懂全部的技术，只需要看懂他们用脚投票的两大技术路线：磁约束(Magnetic Confinement)、惯性约束(Inertial Confinement)。

核融合技术路线一：磁约束(Magnetic Confinement)

　　磁约束用的力是磁场，将高温氘氚电浆锁在特定空间中，维持够久高密度与高温，以产生核融合。这条技术路线下面还有三大分支：

1. Tokamak

　　这是目前全世界最主流的设计。1950年，一位高中没毕业、前苏联库页岛的红军小兵奥列格拉夫．连季耶夫(Олег Лаврентьев)，大胆直接地给最高领导人苏维埃写了封氢弹和热核反应堆方案，这就是核融合反应炉Tokamak概念的起源。

　　Tokamak 的核心概念是用磁场把高温电浆控制在环形容器里且不碰壁，维持足够密度与时间来进行核融合反应。以两组磁场构成环形闭合隧道，外部线圈产生环向磁场(toroidal field)，让电浆沿着甜甜圈方向跑；电浆本身电流产生极向磁场(poloidal field)，扭成螺旋磁力线，形成稳定的甜甜圈磁瓶。靠着外部加热电浆，强大磁场控制维持稳定的隐形容器，让上亿度的电浆浮在环形闭合隧道中，不断地加速、也就是加温螺旋缠进，最后氘氚原子核碰撞融合，产生巨大的能量。

（图二）Tokamak示意图
资料来源：https://www.fmboschetto.it/tde4/tokamak.htm

　　氘氚能量要高到一定程度，才能形成核融合反应，但粒子加速要有机制也要有时间，环形的跑道可以让粒子周而復始地跑下去，也可以不断地电浆加温到所需要的能量(10–20 keV)。高温电浆绝对不能碰到反应炉壁，因为任何材料都会因亿度高温而瞬间灰飞烟灭，电浆是一大堆的带电粒子，既有带电就可用磁场控制，电场可改变速度（能量），但磁场可改变方向（註二），想像运动中的带电粒子是行进的摩托车，转弯是靠左侧的龙头把手，磁场向下，等于左把手下压，就会左转，反之则右转，适度的磁场转向便可形成周而復始的闭路迴圈。但电浆不是单独的带电粒子，而是很多很多带电离子，彼此会有电斥力，且高能量、高温也是高扰动，需要用磁场箍住离子束不发散，相当于枪管裏的膛线，造成子弹高速螺旋前进，弹道才能稳定，所以在Tokamak的设计，除了离子束绕大圈的环向磁场，更有控制螺旋前进的极向磁场。

2. Stellarator

　　比起Tokamak简单对称的几何结构，Stellarator则赖外部繁複的「三维几何线圈」直接生成扭麻花磁场，稳定维持电浆平衡、且将能量与粒子流失减到最低的三维磁力瓶。与Tokamak同期诞生的Stellarator概念太前卫，直到最近才在电脑的强大算力下，精准设计出超複杂磁场，磁铁配置建造、甚至是高温超导也在3D列印技术变得可行。Tokamak结构简单但电浆极难控制，而Stellarator则是在设计与製造阶段就将所有複杂度铸入的精凋艺术品。在精准磁场下，高温电浆超稳定连续运行，是核融合商转最具潜力的候选者之一。

（图三）Stellarator示意图
资料来源：维基百科

3. 场反转组态(Field-Reversed Configuration, FRC)

　　Tokamak用三套複杂的磁铁系统包含中央螺管、极向场线圈、环向场线圈产生强大的环向及极向磁场，维持电浆稳定，FRC则是紧凑拓扑结构，利用外加轴向背景磁场（图四红色箭头处）施力电浆电浆团形成环向运动，绕中心轴转，强大的环向电流产生环绕电流的极向磁场，导致电浆团内部不但抵消了外加磁场，进而反转，形成闭合磁力线（图四绿色箭头处）的自生稳定结构，包浮压缩着橄榄形电浆烟圈，这就是场反转命名由来。背景磁场只用于开始时形成RFC，形成后电浆环流自生的极向磁场，就是维持RFC所需的唯一主磁场。

（图四）场反转组态示意图
资料来源：Princeton University

　　这几年资金大举涌入FRC路线，主要是三大颠复性优势：

• 超高β值：β值是电浆压力（外胀）与磁场压力（内箍）的比值。FRC的β值接近完美的100%（Tokamak不到 10%），大幅降低超导的建造难度与成本
• 设备结构大幅简化： 无複杂的磁场组设计，工程製造、维护以及直接电能转换都变得容易许多
• 直捣终极圣杯：因为RFC能承受极高温度与密度，所以有机会达成圣杯中的终极圣杯­「无中子核融合反应」。为什么无中子核融合是终极圣杯？下一篇再来解答。

核融合技术路线二：惯性约束(Inertial Confinement)

　　所谓的惯性约束，是利用极高能量如强力雷射，在奈秒级的极短时间内从四周均匀轰击微小的燃料粒，引发极限爆炸挤压，靠物体惯性瞬间达到核融合所需的高温高压。比起磁约束的反应及发电是稳定连续式的，惯性约束则是脉冲式，只要频率够高加上超级电容等设计，也可以稳定持续供电。

　　2022年底美国NIF(National Ignition Facility)淨能量增益首度突破，所谓淨能量增益突破是指诱发的核融合能量超过了雷射撞击的能量，为达到足够的雷射强度，NIF用大量强闪光灯产生1微米红外线，再转成351奈米紫外线，最后打到金粒转成X光，几番折腾出1%不到的精华中的精华能量，点燃核融合好戏这才要开始，192道强力雷射万佛朝宗精准瞬击半径0.1公分的燃料粒，这是当今世上威力最强的雷射。

　　NIF这一惊天点火，核融合新创公司纷纷大胆实验更前卫的做法，例如用目前晶片工业主流的光刻机，直接用成本低、效能高的电子束驱动准分子雷射；或使用双重雷射组合，先以奈秒级雷射将燃料球均匀压缩到高密度，随后超高功率皮秒级（註三）雷射，精准点火。

　　如果你觉得磁约束太慢、体积太大；而惯性约束太快、压力太高，也可以综合两家之长，成为混合式(Magnetic-inertial)。这其实就是不同阶段用不同力，先利用磁场将电浆聚合成FRC，然后利用气体雷射或电磁力，在几微秒内进行强力的机械式/电磁式压缩。磁场负责锁住热量，降低冷却速度，惯性则负责终极对决的超高压力，等价功效但整体系统尺寸大幅缩小。

　　欢乐的时光总是过得特别快，核融合反应技术路线五彩夺目、目不暇给，我们不能停在这里，下一篇得赶紧来谈核融合发电及其他重要的技术问题了！

（註一）2025核融合产业协会年报
（註二）电磁场对运动带电粒子的作用力可用劳仑兹力公式(Lorentz force law)描述

F→  = q(  E→  +  v→  ×  B→  )

公式中
F→ = 劳仑兹力（牛顿，N）
q = 粒子电荷量（库伦，C）
E→ = 电场强度（伏特/公尺，V/m）
v→ = 粒子运动速度（公尺/秒，m/s）
B→ = 磁场强度（特斯，T）
除了电荷量，其他全是有方向性的向量，注意符号上标的半箭头，电场的作用力（qE→）与电场同向，可作功改变粒子能量，即改变粒子速度，但磁场的作用力（qv→ × B→）因有速度与磁场强度的外积项，故方向与粒子运动方向垂直，不作功不改变粒子能量。
（註三）1奈秒=1,000皮秒