核融合是怎麼發電的？示意圖。unsplash by wimvanteinde
核融合發電不僅是工程上的巨大挑戰，更是各家新創競逐的商業極限運動。透過無中子反應、冷融合與電磁夾縮等夢幻技術，核融合廠房不僅能大幅縮小，更有望創造出極具競爭力的發電成本。
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，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。
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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？
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，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。
| 技術路線/評比指標 | 核能安全 | 防核擴散 | 核廢料 | |
|---|---|---|---|---|
| 第四代核分裂 | 快中子 | 常壓運作極安全，但需防液態鈉火災 | 潛在鈽滋生能力，需嚴格監管 | 技術上可燒掉高放射性廢料，處置期縮短至數百年 |
| TRISO | 最強的燃料球，無核心融毀之虞 | 燃料極難移作核武用途 | 高放射性廢料仍在，廢料體積大難回收，但極穩定，萬年處置期不減，但工程難度大減 | |
| 核融合 | 沒連鎖反應，無熔毀風險，有問題熄火就好 | 無核武材料，僅氚具敏感性但量小且易監管，擴散風險極低 | 無高放射性廢料，廢料主要來自中子活化，量小壽命短 |
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。
延伸閱讀：核電可解決空汙與暖化？SMR、核融合有神效？專家來解答
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：核能復興十二部曲：核融合反應是怎麼發電的？
【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。