台灣輸南韓就是不重視科技創新-----評大一生DIY核融合反應爐？  

一、前言

媒體報台東大學一年級陳姓學生利用簡易材料做出小型「核融合反應爐」(圖1)，並在網站分享製作過程，網友反應兩極，事實上在YouTube上可看到該學生美麗發光的產品(圖2)，先不管它是否是真的核融合反應器，就憑他僅花費15000元台幣製造此產品就很了不起！陳姓學生謙虛的說：「只是想實現過去設計的玩具而已！」而台東大學應用科學系主任林志銘表示，陳姓學生的「核融合反應爐」貼到網路後，引發很多討論，連科技部、原能會都來電提醒注意，「不要發生狀況」；原能會更要求東大提出無放射線汙染證明，但該校沒有核能科系無能為力，希望專業單位可以協助檢測。林志銘說，學校鼓勵學生研究，不會因此壓制；至於這個作品到底是核融合反應爐？還是會發藍光的霓虹燈？要等待專家檢驗。在此要批判的是政府官員對此新聞的迂腐反應及官僚思惟。

原能會核能研究所物理組副研究員陳孝輝說，看完這名學生介紹，其原理雖然可行，但實際裝置因真空度不夠、材料不夠純，達不到核融合，研判只是「低真空下的高電壓氣體放電現象」。依照「游離輻射防護法」第七條第二項規定，擅自或未依核准之輻射防護計畫進行輻射作業，致嚴重汙染環境者，可處三年以下有期徒刑、拘役或併科三百萬元以下罰金。原能會副主委周源卿說，目前已嘗試聯繫該名同學、也可能聯絡學校，須進一步查證才能判斷，若真的產生輻射才會開罰。但周源卿也說，核融合須經過很嚴格的操作和條件，離子密度要很高、約十的十幾次方，溫度也須達到一億度以上，一般環境要構成這些條件並不容易，國外也曾有很多傳言，後來都證實不是真的。核研所所長馬殷邦說，依常理判斷，該名學生宣稱自製「核融合反應爐」不可能發生，國際間包括日本、法國都有進行小規模實驗，但以一國之力根本無法達成。在這裏要批判原能會官員不長進，對國外科技知識蒐集不努力，只會拿法規嚇人，對於大一學生的研發精神應給予肯定及鼓勵才對，核能研究所若認為其簡陋裝置真空度不夠、材料不夠純，達不到核融合，研判只是「低真空下的高電壓氣體放電現象」，可邀請該學生至核研所以較好設備重複該實驗。其實只要偵測是否有中子發生就知道是否僅是氣體放電或核融合?

原能會及核研所專家應看國外報導，據《每日郵報》報導，2014年3月5日，英國13歲少年傑米•愛德華茲通過其打造的核融合反應堆(圖5)，成功把兩顆氫原子融合成氦，成為全球建造核反應堆的最年輕人士，其校長資助了3000英鎊 。而國外有Fusor專題網站（http://www.fusor.net/），Fusor是由美國發明家菲洛•法恩斯沃思和羅泊特•赫舍發明的一種靜電場約束型核融合裝置，是原理不同於傳統磁約束的一種實驗裝置，主體是一個内部呈真空狀態的大球，四面布置電極，在裏面有一個帶高壓靜電的金屬網格小球，將氘離子導入其中，在靜電約束下，離子碰撞，發生融合反應(圖3~5)，但此種裝置置的輸出功率遠小於輸入功率，所以無實用價值僅能當玩具。國外年青人已有逾38位製出此裝置，台灣大一生應該係參考國外資料作的產品。

圖1  台灣大一生製作的核融合反應器

圖2   發光的反應器

圖3 構造類似的國外產品

 圖4. 國外產品

 圖5  國外年青人製作之融合裝置

二、核融合反應

          為了延續人類文明，我們不能放棄任何能源，所謂再生能源仍是源自太陽，由於化石燃料存量有限，若不使用核能則石油、天然氣及煤碳很快用完，我們的子孫將恢復石器時代的生活，核能的應用是符合歷史的潮流和脈動，目前使用的核能是利用鈾分裂反應，目前人類正在研發與太陽發出能量相同原理的核融合反應，若成功則可有取之不盡，用之不竭的能源。核融合反應器是利用較輕的原子核，在極高溫之下融合而放出大量的能量。核融合反應器可利用取之不盡之海水提煉出燃料，且無放射性廢料產生，是最理想能源。

1.     核融合(托克馬克)的發展

和目前所知的所有能源相比，氘與氚核融合產生的能源是最理想，不僅燃料充足，又不產生溫室氣體及高放射性核廢料，將可大幅地降低環境污染問題。核融合的研究從1950年代就開始了，現在的托克馬克磁控實驗已可控制核融合反應，以緩慢方式釋放能量，只是仍未達到經濟效益。近年來因人類長期使用石化燃料，導致嚴重的環境污染及劇烈的天氣變化，又加上國際石化燃料價格高漲，佔有超過世界四分之三以上人口的國家(歐盟、日本、美國、俄國、韓國、中國及印度)終於在2005年6月28日達成協議，將投入大量人力與財力合作建設一座「國際熱核實驗反應爐( ITER）」。ITER將成為世界第一個產出能量大于輸入能量，且脈衝長度超過十分鐘的托克馬克核融合裝置，為建造真正的核融合反應爐作準備，使人類有可能可以在本世紀內開始使用核融合能源。

核融合反應是恒星(包括太陽)發光發熱的能量來源。其能量產生的方式，是將最輕的原子(氫原子)加熱成為電漿狀態，並進行核融合反應以釋放能量。在這核融合反應過程中一部分的氫核子質量轉換為能量。利用氫核子的同位素氘（deuterium）與氚（tritium）的核融合是最容易實現的核融合反應。氘和氚核子發生核融合後，兩個2萬電子伏特能量的原子核結合成一個350萬電子伏特能量的氦原子核 ，並放出一個14.1百萬電子伏特能量的中子 (圖6)。產生的能量約為原來能量的450倍。在高溫下，氘和氚的混合氣體成了電漿狀態。如何控制電漿溫度以實現最佳的核融合反應速率，是相當關鍵的技術。電漿為會導電的氣體，而且會受到磁力影響，利用非常強的磁場，可以限制極高溫度電漿的活動範圍，以進行核融合反應。若能開發以磁場控制核融合反應的電廠，則可以滿足人類的能源需求，可以說是最終解決了人類對潔淨能源需求的問題。磁控核融合的研究從1950年代就開始了，理論基礎、實驗、技術以及工程知識都已逐漸成熟。但現今的托克馬克裝置主要都是使用輔助的加熱源，如中子束入射和正離子迴旋共振加熱和電子迴旋共振加熱，合作建設ITER的七方(歐盟、日本、美國、俄國、韓國、中國及印度)於2005年6月28日達成協議，選定ITER建設地址在法國南部的卡達拉舍。2006年為實際建造ITER的開始。這是科學家為解決能源需求、改善地球環境的一個新的研究階段。它將成為世界第一個產出能量大于輸入能量的核融合裝置，為建造真正的核融合反應爐作準備，在本世紀內，人類有可能可以開始使用核融合能源。

目前世界各先進國家都有長期的核融合計劃，包括：日本的JT-60計劃，歐洲共同體的JET計劃，韓國的KSTAR計劃，與全球大聯盟的ITER計劃。成都市双流縣白家鎮是中國大陸最早研究“人造太陽---核融合”的科學研究机構核工業西南物理研究院核融合科學所藏身之處。中國大陸從事核融合研究的有兩個机構，除了核工業西南物理研究院，還有地處合肥的中科院等離子物理研究所。全球現有7個國家在進行托馬克裝置的研究。儘管一般認為至少還需要經過50年，才能把熱核融合技術商業化，實現成本效益，但參與ITER的國家將在未來十年投資期內取得高科技，對帶動其國內高科技的研發和相關產業的提升，具有十分重要的影響。亞洲的中國大陸、日本、南韓除本身從事核融合外亦參與國際ITER的研究，印度本身雖未作核融合研究卻有參與ITER，他們都是有遠見的國家，台灣在這方面繳了白卷。位於台灣附近的韓國(人口為我們的兩倍，但國民平均所得大約相等)近幾年在核融合研究投下了相當多的資源。除了在ITER的興建有10%的投資，韓國將在2007年完成斥資三億美元的KSTAR (含超導磁鐵的托克馬克計畫)的興建。ITER約於2015年興建完成，而在這之前，KSTAR將是研究核融合反應器中熱電漿物理機制的主要裝置之一，南韓的遠見值得我們深思。 

托克馬克磁約束裝置中的電漿，磁場和產生磁場的電流線圈；水平方向(toroidal)磁場及垂直方向(poloidal)磁場結合成螺旋形方向的總磁場。目前有兩種方式可望達成熱控核融合發電的目標：磁場控制核融合、和雷射核融合。此兩種方法都還在實驗階段，但就現階段的研究結果顯示前者的可行性較高。磁場控制核融合以托克馬克的磁約束裝置較為先進。托克馬克為蘇聯科學家在1950年代初率先提出磁約束的概念，並在1954年建成了第一個「托克馬克」裝置(—個形如甜甜圈(donut)的環形容器) (圖7)，以強大的磁場約束電漿粒子的運動。如果發生故障，由於電漿的溫度下降，核融合反應便會自動停止，不必擔心會失控。除氚具有放射性危險之外，核融合不會產生不可分解的高輻射廢料，其少量放射性廢料也很快失去放射性。要在50年內實現建造具有工業規模的核融合發電站，科學家們還需克服多重困難。首先需要解決的是如何改善電漿的約束性能。在超高溫下，粒子的碰撞會使粒子橫越磁力線，攜帶能量逃逸。此外，當電漿和磁場的自由能被激發後，會造成磁場的不穩定，造成磁場出現變形、磁場重聯、或電漿撞上核融合反應室的內壁。另一重困難是如何在不需要外加的補助加熱下，使反應爐自動維持核融合反應，這需要科學與技術進步上的突破。

圖7   托克馬克裝置

三、中國大陸的核融合進展

三、中國大陸的核融合進展

中國的核聚變(核融合)試驗裝置已建造成功，真正的核融合能有望在30年至50年後為中國發電。核聚變能是模仿太陽的原理，使倆個較輕的原子核結合成一個較重的原子核並放能量。中國投資２億元人民幣研製成功目前世界上能讓等離子運行時間最長的核聚變裝置，並命名“ＥＡＳＴ”。地球上僅海水中就含有４５萬億氘，足够人類使用上百億年，比太陽的壽命還長。中國已正式加入由美、、日本、南韓和印度等組成的國際合作項目，共同開發核融合反應器。此項目耗資100億美元，中國將投入40億元人民幣的自行研製設備。“科學島”是中國核聚變研究的重要基地，世界上第一台全超導托卡馬克核聚變（EAST）實驗裝置就是在這個島上研製成功的(圖8)。一年多以前，中國科學院等離子體物理研究所歷時8年研究開發的EAST實驗裝置首次成功試驗。通過這一裝置，科學家能夠對受控核聚變開展探索性的實驗研究，從而為未來穩定、安全、高效的商業核聚變堆提供物理和工程技術基礎。EAST超導托卡馬克運行總負責人、東華大學教授羅家融解釋說：“從能量概念的角度，這個裝置被形象地稱為人造太陽。太陽是一個巨大的發光體，同時釋放出大量能量。核聚變裝置就是要模倣太陽的環境。

圖8 合肥“科學島”上的超導托卡馬克核聚變裝置。