人類核融合取得突破性進展：什麼是核融合？為什麼如此重要？

週二，美國能源部（DOE）宣佈，研究人員在核融合方面取得歷史性的突破，首次從一個實驗性核融合反應爐中實現了“淨能量增益”，這讓許多人對未來生成更多的清潔能源充滿了希望。

這一突破是由美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）“國家點火裝置”（NIF）研究人員在 12 月 5 日取得的。對許多人來說，核融合可能是一個新概念，但自 1940 年代以來，科學家們就一直在研究它。但是，研究人員卻面臨著一個嚴峻的挑戰：如何生產出更多的能量（高於所消耗的能量），這幾乎是一個不可踰越的挑戰，直至今日。

這一次，研究人員向目標輸入了 2.05 兆焦耳的能量，最終產生了 3.15 兆焦耳的聚變能量輸出，即產生的能量較輸入的能量高出 50% 多。這也是研究人員首次在實驗中取得有意義的能量增長。

什麼是核融合呢？

核融合就是兩種較輕的元素結合在一起，形成較重的元素的過程。這與太陽提供能量的方式相同，即氫原子的質子在核心以令人難以置信的高溫猛烈碰撞，融合在一起產生氦原子。

在地球上，核融合是通過融合元素氘（重氫）和氚（超重氫）來實現的。氘的含量非常豐富，可以在水中找到，尤其是海洋中。而氚的含量較低，主要存在於我們的大氣中，是宇宙異塵餘生的結果。此外，氚也可以在核爆炸中產生，是核反應堆的副產品。

太陽的巨大引力使它能夠聚變氫原子，但要在地球上創造聚變，科學家需要施加大約 1 億攝氏度的極高壓力和溫度，即比太陽核心溫度高 10 倍。

雖然有不同的方法來嘗試產生核融合，但勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）“國家點火裝置”（NIF）的研究人員使用了 192 束雷射，聚焦在一個圓柱體的內壁上，該圓柱體內有一個非常小的“膠囊”裝置，里面裝著聚變燃料：氘和氚。當雷射射向目標時，它們會產生 X 射線，然後擠壓燃料，在極短的時間內蒸發“膠囊”裝置，所產生的衝擊波會粉碎氫原子，使它們融合併釋放能量。

雖然此次產生的能量很小，大約 3 兆焦耳（足夠給一個燈泡供電），但它標誌著核融合能源的歷史性首次，因為雷射只發射了略高於 2 兆焦耳的能量，即產生的能量，較輸入的能量高出 50% 多。

它與現有核能有什麼不同？

談及核能，許多人可能會想到我們今天擁有的核能電廠。但不同的是，這些電廠使用的是「核分裂」。

分裂與融合正好相反，融合迫使原子聚集在一起，而核分裂通過分離重原子來產生能量。

核融合還能產生清潔能源。與核分裂不同，這一過程不會產生副產品，如核電廠中的燃料棒（spent rod）。

另外，與核分裂不同，核融合不會發生核熔燬現象，也不能用來製造核武器。

為什麼說核融合很重要？

當前，地球正面臨著幾個世紀以來燃燒化石燃料造成的氣候危機。其結果是，洪水、乾旱、海平面上升等現象將會加劇。我們已經看到這種情況正在發生，地球變得越暖，這些災難就會變得越嚴重。

如今，地球已經變暖了大約 1.2 攝氏度。根據 2015 年《巴黎氣候協議》設定的目標，我們要在本世紀末將其控制在 1.5 攝氏度以內，這樣才能使與氣候相關的災難減少。因此，科學家和工程師一直在努力開發具有成本效益的清潔能源。

這就是核融合的用武之地。它不會產生有害的二氧化碳或甲烷，而且效率很高。根據國際原子能機構（IAEA）的說法，聚變每公斤燃料產生的能量是裂變的四倍，是燃燒石油或煤炭的近 400 萬倍。

美國能源部長詹妮弗・格蘭霍姆（Jennifer Granholm）週二在一份聲明中表示：「這是一項里程碑式的成就，讓我們更接近於擁有豐富的零碳聚變能源，從而幫助人們解決人類最複雜和最緊迫的一些問題，包括提供清潔能源來應對氣候變化。」

何時才能用核融合作為能源呢？

雖然這是歷史性的第一次，但這並不意味著我們已經準備好大規模生產能源。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）負責人金・布迪爾（Kim Budil）稱，這一成就是人類有史以來解決的最重大的科學挑戰之一。但是，到目前為止，無論是在科學上，還是技術方面，都存在著不小的障礙。

布迪爾說：「這只是一次實驗成果，要實現商業，必須要持續產生這樣的結果，必須要有一個強大的驅動系統來實現這一點。」。她還補充說，儘管不需要一些科學家之前預期的那麼長的時間，但至少需要幾十年的時間才能開發出足夠的基礎技術來建造一座核融合電站。

除了美國，還有其他一些國家在研究核融合。在法國，有一個多方合作的國際熱核實驗反應爐（ITER），這是一個重 2.3 萬噸、高近 30 米的大型核融合反應爐，計畫在大約 10 年後開始營運。

在加拿大，General Fusion 等私營公司也在研究相關技術。此外，中國、英國和德國的一些民營企業在致力於核融合方面的研究。