欧洲议会决定将核能列为“绿色能源”，引起极大争议，德国、奥地利、卢森堡、西班牙等国坚决反对。但核能只要换个产生方式，从“核分裂”转换为“核融合”，或许可以将争议性大幅降低。近日美国能源部宣布，被标榜为零碳排、零核污染的核融合技术，首次成功达到“能量净增益”，被视为洁净能源发展的新里程碑。到底核融合是什么？为何它可以比传统核能安全？甚至享有能源界“圣杯”、“人造太阳”之美誉？

核融合首度实现能量净增益

　　2022年12月13日，美国能源部宣布，辖下“劳伦斯利佛摩国家实验室”（LLNL）的“国家点燃实验设施”（National Ignition Facility，NIF），首度成功在核融合反应中实现“能量净增益”（Net Energy Gain），意即产出的能量高于引发反应所需的能量，克服半个世纪以来科学界无法解决核融合电力消耗比产出高的难题。

全球首次实现能量净增益的核融合实验是在劳伦斯利佛摩国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）旗下的国家点燃实验设施内进行。（图片来源：LLNL实验室官网）

　　这项实验是在同年12月5日，位于加州硅谷利佛摩（Livermore）的国家点燃实验设施内进行。科学家使用192束高能量激光，射向装有氘-氚燃料球的环空器（Hohlhraum）。这个环空器是一个圆柱形容器，头尾两端开孔，内壁有黄金特殊涂层。

192束高能量激光射向环空器，令氘-氚燃料球自燃，引发连锁融合反应，释放出高于射入激光的能量，成功实现能量净增益。（图片来源：LLNL实验室官网）

圆柱形的环空器内植入了大小有如胡椒粒的氘-氚燃料球。（图片来源：LLNL实验室官网）

　　科学家从环空器两端孔洞精准地射入激光，将特殊涂层加热至300万°C，便能辐射出强烈的X射线，均匀覆盖燃料球表面，令燃料球外层爆裂，产生反作用力传递至燃料球内部，进而使内部氘-氚元素形成高压高温；当达到1亿°C以上高温和地球大气层1,000亿倍的压力时，便会出现自燃现象，继而引发内爆，连锁触发融合反应，释放出能量。

　　整个实验过程为时很短，大概只需几十、甚至百万分之一秒，而且实验体亦很小，那个氘-氚燃料球仅有胡椒粒般大小；惟在这极短时间、极小空间内，却模拟出一颗小太阳。实验所用的激光能量输出为2.05兆焦耳，核融合产生的能量则为3.15 MJ，这是有史以来受控的核融合发电实验中，首次产出能量大于投入的能量。

高能量激光从环空器两端射入，点燃氘-氚燃料球的模拟图。（图片来源：LLNL实验室官网）

核融合与核能发电有何不同

　　美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆（Jennifer Granholm）表示，核融合是一种干净、充裕且安全的能源来源，有助解决人类依赖化石能源、助长全球暖化的困局。同是以核技术产生能量，为什么核电厂有潜在核污染风险，但核融合却被视为洁净能源的新解方呢？

美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆表示，这次核融合实验是“21世纪最教人印象深刻的科学壮举之一。”站在其旁边最左方的，正是LLNL实验室主任金·布迪尔。（图片来源：美国能源部）

　　现时核电厂是采用核分裂技术来制造能量——利用中子撞击一颗较重的原子（如铀元素），使重原子分裂成两颗较轻的原子，过程中会释放出能量。尽管核分裂发电不会带来碳排放，但产生的核废料却有逾千年不衰减的放射性，如处理不当，有机会造成核污染。

　　核融合的原理恰好相反，是把两颗较轻的氢原子同位素（如氘、氚）对撞，透过极高的温度与压力，强迫它们“黏”在一起，形成较重的氦原子，过程中一样会放出能量；而这正是太阳产生能量的方法，故此核融合又被称为“人造太阳”。

　　相比起核分裂，核融合在使用同等重量的原料下，能够产生接近4倍的能量，而且氘-氚融合过程中产生的副产物（氦、中子）也相对“干净”。氦气本身没有危险性，常用于气球充气；中子则可能会被其他物体吸收，令该物体具有微量放射性，惟却不足以对人体造成显著伤害。

惯性局限融合vs磁局限融合

　　氘作为核融合的原料，是一种地球上稳定存在的物质，在大自然的含量约为氢的7,000分之一，又可以对天然水中的重水进行电解，从中以获取氘，所以没有开采耗尽的问题。氚在自然界中的含量则较少，惟却可透过人工合成方式制造出来。

　　核融合既能发出更多能量，又不会排放温室气体，只会产生微量放射性物质，兼且原料几乎可以源源不绝供应，一口气解决环境永续和碳排放的问题，因而被科学界视为能源中的“圣杯”（Holy Grail）。伦敦帝国学院（Imperial College London）物理学家杰里米·奇滕登（Jeremy Chittenden）表示，NIF的实验证明“核融合的‘圣杯’确实可能实现”。

　　今次NIF以激光触发氘-氚燃料球的点燃实验，是建基于“惯性局限融合”（Inertial Confinement Fusion）技术方案；另一个核融合的主流方案，则是“磁局限融合”（Magnetic Confinement Fusion）——使用“环磁机”（Tokamak，又称“托卡马克”）来达成磁约束以包覆电浆，并透过螺旋运动加热，从而引发核融合反应。

　　目前磁局限融合的研发进度略为滞后，惟其优胜之处在于操作上较为简单。理论上，环磁机尺寸愈大、磁场愈强，就愈容易到达核融合的临界点。当越过临界点形成核融合，磁约束会出现自我持续现象，之后只要不断添加氢原料，便可以延续核融合反应。相较于惯性局限融合要求各项条件精准地执行，始能实现核融合，磁局限融合的运作无疑简单得多。

中欧韩争相研发核融合技术

　　核融合有望成为比核分裂或化石燃料更为洁净、取之不尽的能源，所以早就引起包括美国在内的各国政府、以及私人企业的极大兴趣。2021年11月，韩国聚变研究所旗下的“韩国超导托卡马克进阶研究”（KSTAR）项目，成功在1亿°C的高温下维持等离子体核融合连续运行30秒。

KSTAR（Korea Superconducting Tokamak Advanced Research）是韩国国家聚变研究所的超导托卡马克核融合装置，被冠上“韩国太阳”的称号。（图片来源：维基百科）

　　2021年12月，中国科学院合肥物质科学研究院的“全超导托卡马克核融合实验装置”（EAST），实现1,056秒的长脉冲高参数等离子体运行，创下环磁机持续运作的最长时间。2022年2月，由欧洲多国共同建造的“欧洲联合环状反应炉”（JET），成功产生持续5秒的59兆焦耳能量。

EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）是中国科学院合肥物质科学研究院辖下等离子体物理研究所，在安徽省合肥市建造的全超导磁体托卡马克核融合试验性装置，又被称为“东方超环”。（图片来源：合肥物质科学研究院官网）

JET（Joint European Torus）是位于英国牛津郡卡勒姆核融合中心（Culham Centre for Fusion Energy）的磁局限融合物理实验反应炉。（图片来源：维基百科）

　　全球最大的核融合研究计划则是由35国政府集资兴建的“国际热核实验反应炉”（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER），投资金额高额220亿美元（约1,716亿港元），旨在证实核融合装置的可行性与稳定性。按照原订计划，ITER于2025年展开测试，2035年启动氘-氚电浆实验，惟受到疫情拖累，预计时程将会延后。

ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）是全球最大的实验性托卡马克核融合反应堆，坐落于法国南部。参与实验项目的国家包括：中国、美国、英国、欧盟、日本、韩国、印度、以及俄罗斯等。（图片来源：维基百科）

初创融资额已达48亿美元

　　私人企业方面，根据美国核融合产业协会（Fusion Industry Association，FIA）的统计，研发核融合技术的初创公司从2021年的23家，增加到2022年的33家。及至2022年，流入这些初创的资金已高达48亿美元（约374.4亿港元），当中有6家初创筹集了2亿美元（约15.6亿港元）以上资金。

　　例如，从麻省理工大学（MIT）独立出来的Commonwealth Fusion Systems，2021年取得业内最大规模的18亿美元（约140.4亿港元）融资，用于兴建核融合发电机组；另一美国初创Helion Energy同年亦成功募资5亿美元（约39亿港元），用作建构可提供能量净增益的核融合装置。

Commonwealth Fusion Systems于2021年11月取得18亿美元的B轮融资，用于建造和营运SPARC托卡马克核融合装置。（图片来源：维基百科）

　　FIA执行长安德鲁·霍兰德（Andrew Holland）指出，政府与私企的核融合研发项目非但不该相互竞争，反而应把公营与私营的力量结合，务求各展所长，共同推动产业发展；政府应负起提供基建和培训人才的责任，为业界打下良好发展基础，私企则负责兴建发电厂，进行商业化营运。

　　事实上，美国政府已开始对核融合业者提供援助。2022年3月，政府召开促进政府及民间展开核融合合作的会议，梳理出未来核融合的发展方向。9月，能源部公布，将拨款5,000万美元（约3.9亿港元）资助初创企业，建设核融合前导试验工厂。12月，能源部又宣布，将投入3,300万美元（约2.57亿港元），鼓励业界利用AI技术加快核融合开发进程。

核融合商业化要等20年以上

　　不过，大部分科学家认为，核融合要实现商业化，并达到产业规模，还有很长的路要走。LLNL实验室主任金·布迪尔（Kim Budil）表示，虽然其核融合实验得到能量净增益的效果，可是只有这么一次；此技术要迈向商业化，仍有很多问题有待解决，譬如怎样把单次核融合变成多次可持续融合，科学家可能要花上几十年找出答案。但她相信，在其有生之年应有机会看到核融合发电厂的落成。

　　伦敦帝国学院物理学家奇滕登指出，如使用核融合技术来发电，必需大幅提高其能量增益，同时也要找到更便宜重现相同效果的方法，这样才可以把它变成发电厂。法国原子能委员会（French Atomic Energy Commission）专案经理埃里克·勒费弗尔（Erik Lefebvre）认为，要走到那一步，或许仍要多等20或30年。

　　藉由落实净零排放来实现环境永续，以绿色能源取代化石能源，可说是必然之举。然而，太阳能与风能会受制于天气，被欧盟列为绿能的核能也有核废料的问题。假如日后核融合可以成为绿能发电的主力，那么对推动永续发展将有极大帮助。因此，这20、30年还是值得等待的！

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