德國與中國在核融合反應器的重大突破

一、前言

     目前核能電廠大部分是以熱中子引發鈾-235核分裂產生能量，由於地球上的鈾礦資源有限，先進國家已研發出快中子滋生式反應器，最後之目標是發展核融合反應器即人造太陽(圖1)，人類必須掌握能源才不會像恐龍般在地球滅絕(圖2)，由於核能科技的進展日新月異，故核能是是追隨時代腳步的能源。核能發電可以科技改良，徹底解決人類能源需求是具有發展願景的能源。人類一直在尋求一種安全、潔淨及長久的能源，未來有望可以實現。2015年，德國建造了世界最大的核融合反應器完工，相對於核分裂反應器，核融合比核分裂安全及可靠，亦沒有大量輻射殘留物問題，若實驗成功的話，將會改寫人類的歷史。這部由德國建造的核融合爐，設計及建造長達12年，耗資逾10億歐元及110 萬工作小時。這部命名為 W7-X 的核融合反應器(圖3)，由超級電腦所設計，與傳統設計有核融合爐有不少差別。W7-X 會將氘及氚，加熱至攝氏 1 億度成為電漿，融合成為氦氣而發出高能量。過去曾有不少核融合爐試驗，最困難的地方在於維持電漿的溫度保持融合反應，據官方的資料指，W7-X 在設計上有望可維持超高溫的電漿30分鐘。

核融合爐因為要用高溫產生電漿而進行融合反應，與核分裂的連鎖反應不同，也不用高輻射的燃料（如鈾及鈽），亦不會殘留高輻射的廢物（核融合後最終產物為氦氣），而且使用的「燃料」也可以從海水提鍊，可作為半永久能源使用。

二、打造乾淨能源 德國核融合反應爐開始試運轉

     德國科學家2月3日開啟了新核融合反應爐W7-X的首波試驗，並由德國總理梅克爾啟動開關，儘管這項技術可能還需要數十年研究，但核融合技術未來可能取代化石燃料及傳統核分裂反應爐，帶來安全又環保的新核能形式。擁有物理學博士學位的德國總理梅克爾說：「作為一個工業國家，我們想要證明一個經濟實惠、安全可靠及能永續使用的能源是可行的，且不會造成任何經濟競爭力的損失。」耗資4億歐元（約新台幣147億）打造的W7-X，去年12月曾以較易加熱的氦（helium）作為材料，當時成功維持1/10秒的氦電漿，今年希望能成功製造出氫電漿。這個看起來類似托卡馬克（tokamak）的環形裝置，是德國的研究團隊利用美國物理學家萊曼史匹哲發明的仿星器，兩者雖然有著類似的外型，但仿星器是利用複雜的磁線圈系統以達到相同效果。儘管仍有許多科學家對於核融合發電持保留態度，但梅克爾總理認為核融合的優點是顯而易見的。

三、中國大陸核融合進展

    中國大陸中科院安徽合肥物質科學研究院全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST成功實現了電子溫度超過5千萬度、持續時間達102秒的超高溫長脈衝等離子體放電，這是國際託卡馬克實驗裝置上電子溫度達到5000萬度持續時間最長的等離子體放電。超高溫長脈衝等離子體放電是未來核聚變堆(核融合反應器)

的基本運行模式。目前，國際上大部分磁約束聚變實驗裝置為常規非超導托卡馬克，且偏濾器位形等離子體持續時間基本都在20秒以下，只有歐盟和日本科學家曾獲得最長為60秒的高參數偏濾器等離子體。 EAST既定科學目標是實現1億度1000秒的等離子體運行，但實現該科學目標目前仍面臨著眾多科學和技術的挑戰。EAST團隊的科研人員解決了一系列關鍵科學和工程技術難題：長脈衝等離子體磁位形的精確控制、全超導磁體安全運行技術、穩態有效的等離子體加熱與電流驅動等。通過集成創新和開展全面的實驗研究，利用低雜波與電子迴旋波協同加熱和電流驅動，在中性束共同加熱下，EAST成功實現了102秒、等離子體電流0.4兆安、芯部電子溫度超過5千萬度的高溫等離子體放電。

    專家指出，上述成果在未來聚變堆研究中具有里程碑意義，標誌著中國在穩態磁約束聚變研究方面繼續走在國際前列。目前，EAST已成為國際上穩態磁約束聚變研究的重要實驗平台，其研究成果將為未來國際熱核聚變實驗堆ITER實現穩態高約束放電提供科學和工程實驗支持，並將繼續為下一代聚變裝置奠定重要的科學基礎。

四、結論

    德國梅克爾政府雖然反核，但仍然持續使用核分裂核電廠相當長時間，同時進行核融合研究，可見德國不是盲目反核，具有前瞻性的視野，中國大陸近年崛起世界，在人類各方面的先進領域都有優異的表現，尤其高科技的進展如高鐵、核電及太空探索都有突破性發展。反觀台灣從政者多法律出身，缺乏科學素養，盲目反核，尤其非核家園切斷台灣高科技發展之路，脫離世界主流愈來愈遠，令人惋惜!

圖1  核能發展三部曲

 圖2  能源發展樹史 

 圖3 德國新反應器