核融合是否能進入商轉，仍取決於其持續時間。示意圖。unsplash by federi
每次看到「核融合重大突破」的新聞，總發現發電時間還停留在「秒級」？若無法達成24小時連續發電，商轉終究只是空談。然而，隨著高溫超導技術成熟與AI強大算力的助攻，新創企業正以前所未見的速度打破傳統物理框架。
核融合發電的門檻
勞森準則，是三因子乘積：nTtE ≥常數
- n：電漿密度
- T：溫度
- tE：約束時間
所有核融合路線基本上都在追求這三因子乘積的最大化，戲法人人會變，各有巧妙不同，如磁約束是在技術及經費可行的密度及溫度下，最大化tE；慣性約束則是全力一擊，極大化n及T。
延伸閱讀：從人造太陽到電力未來，聚界潔能、小智研發攜手培育核融合人才
上圖是傳統大型磁約束各團隊的成績，資格賽門票到手後，淨能量增益QDT才是晉級考驗的開始，也是科學轉工程的考驗，而真正有商轉實力的關鍵是QDT>10，也就是要進入圖一右上方的深橘色帶裡，才有資格拚商轉決賽。新聞常在講集全球之力、坐落在歐洲的ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)顯然已到門門，但進展越來越慢、問題越來越多，成了永恆的30年魔咒。
至於不在圖上的慣性約束技術路線，在2022年底美國NIF淨能量增益首度突破QDT>1，但那是不惜血本，等於是拿鈔票點火取暖。但NIF的突破，激起了核融合新創公司紛紛大膽實驗更前衛的做法，完全跳出了老輩的遊戲規則，尤其在AI的助攻之下，商轉可行在望。
核融合發電如何持續24小時？
要達成24小時不間斷發電，傳統的作法是如核分裂發電的穩態追求，但從過去那麼多年核電廠的幾百度操作環境，一下子跳到上億度的電漿，等於從地上的漫步，陡然要在星際間飛行，當然如西天取經般許多難關待克服。但核融合新創公司不再拘泥於暴力突破的迷思，大量運用創新方式解題，如為了要解宇宙創世紀難題的最尖端粒子加速器相關技術，大幅拿來解核融合持續發電的問題；應用高溫超導現代技術，大幅縮小工程尺寸，簡化降低工程系統難度，更有效的全系統主動冷卻；先進的耐中子損傷材料與長壽命結構；改變高溫電漿穩定機制，破除電漿崩解困境，解開Tokamak死穴；挑戰終極聖杯無中子核融合，不需蒸汽循環，直接產生電流；有些甚至乾脆採跳島戰術，每秒十次以上機關槍式的快速連發核融合反應，配上超級電容當電能的內存緩衝，也可達成長期穩定的發電輸出。
這麼多新科技用來突破那麼多工程難題，其中最重要的一項仗勢就是令人瞠目結舌的快速迭代，老輩的科研突破是一步一腳印的滴水穿石功夫，而新世代是破除窠臼的狂飆，如傳統軟體工程師一行行敲鍵盤，辛苦地在萬千程式碼中除蟲，但在AI助力下，可能就是秒殺過往經年累月的成果，因為產品迭代已是完全不同境界，如美國國慶的能源部獻禮，最後一家達標臨界反應的UNITY，從計畫開始到成品只花了150天，這還包括了能源部的安全審查。這些核融合新創公司比起核分裂SMR是有過之而無不及，好些都有粒子加速器的背景及關鍵人才，AI的應用更不在話下。
如何做到核融合反應需要的一億度？不會熱死嗎？
你可能覺得很奇怪，就算是機關槍式的快速連發核融合反應，一億度也是很熱啊，而且核融合反應是磁場，磁場跟電的關係是什麼呢？
三千年前我們的甲骨文就有電這個字，周易說「離為火，為日，為電。」說文解字則說「電，陰陽激燿也。從雨，從申。」講的是自然界的閃電現象，基本上與現代科學的認知不謀而合，就是雨雲中冷熱水氣垂直劇烈對流運動，造成上下的正負電荷巨量失衡，當雲層中電荷累積達到臨界點產生巨大的電位差，崩潰發生強烈放電。可惜東方沒出現富蘭克林，把天上的電與地上的電連起來，幾千年來一直停留在敬天畏天的層次，終與電磁學的發展失之交臂。
電與磁看似不同，卻是師出同源，現代物理已把電磁合而為一，為宇宙的四大基本力：強核力、弱核力、電磁力與重力。電磁力是目前人類能真正純熟掌握的力，也是當今社會文明的基礎。電生磁是安培定律，如電磁鐵、超導磁鐵等；磁生電的發電是法拉第定律；電磁交互影響是勞侖茲力，如磁場控制電漿，電漿加溫、RFC等，這些基本物理觀念貫穿了整個核融合發電系統。
要控制上億度的電漿，磁場是不可缺的利器，只要能承擔很高的電流，就會有磁場，利用的是磁場，不是用電線在傳導電。我們來把磁場技術整理如下表：
| 技術 | 最高強度* | 主磁場 | 優點 | 缺點 | 核融合應用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 傳統磁鐵 | 1–2 T | 無 | 便宜 | 不可調控 | 不適用 |
| 稀土磁鐵 | 1.2–1.4 T | 無 | 高磁能 | 高溫 | 不適用 |
| 傳統電磁鐵 | 2–4 T | 有限 | 可調控 | 功耗太高 | 限於實驗室 |
| 低溫超導 | 6–13 T | 有 | 成熟可靠 | 強度有限 | ITER國家級 |
| 高溫超導 | 20+ T | 有 | 高磁能、小型化、冷卻成本低 | 太貴 | 核融合新創主要走這條路線 |
上面說的高溫超導是近年深度科技(Deep Tech)領域最具顛覆性的突破之一，磁場對電漿的約束力會以強度的四次方劇增，這讓核融合反應爐的體積得以縮小到原來的數十分之一，成本暴跌，直接讓核融合商業化提早了數十年。所謂高溫並不是真的很高溫，而是相對於低溫超導那種接近絕對零度而言比較高溫，因為不需要冷卻到那麼低溫，就可以減少大量的用電。過去用傳統電磁鐵產生4T磁場，需要800 MW的大型核電，改成低溫超導只要20 MW的電力，進一步改用高溫超導，耗電又再降一個數量級，而且中國大陸已證明磁場強度可達36T。且，原本高溫超導材質脆弱，難以鑄造成複雜形狀，但3D列印的成熟，這難題已迎刃而解。
高溫超導材料在技術上已經成熟，當前的挑戰在於產能不足與成本過高，隨着核融合新創公司集體瘋狂掃貨，高溫超導供應鏈正在經歷如同當年半導體建廠的規模化階段，當成本因規模化而降下來後，高溫超導將會徹底重塑能源科技版圖。
回到一億度是不是會熱死人的問題。以一般牙醫X光，用的是七萬伏特的高壓電，加速電子獲得動能，高速電子撞擊鎢靶轉成X光，電子的動能相當於五億四千萬度，但你去看牙醫會覺得熱嗎？
既然核融合達到一億度不是什麼難事，發電的門檻也達到了，下一篇，我們接著來談核融合是怎麼發電的。
★台灣第一個ESG與USR永續整合平台，加入ESG遠見共好圈★
本文轉載自綠學院／文：王曉中（此篇僅反映作者意見，不代表本社立場）
原文標題：核能復興十一部曲：只能維持一秒的核融合談什麼商轉？
【關於作者】
王曉中
台大土木系畢業，美西北大學環工輻射博士。縱橫產官學研四十餘年，歷任原能會客座專家、國科會（芝加哥科學組組長、環發會執行祕書）、及美國家研究院、美核能工業界核安專家等，並在台大土木及公衛、成大、中醫大、北科大、政大、淡江、雲科大等授課。業餘耕耘文字，當過數種科技刊物總編，拿下國科會首屆科普文學獎。