核融合的新目標正在進行：將2022年國家點火設施(National Ignition Facility)首度展示淨能量增益之新興技術付諸商轉。
2022年12月5月，核融合的研究人員達到一個關鍵的里程碑：在那一天，勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)所屬的國家點火設施(National Ignition Facility，NIF)首次證明，可控的核融合反應能夠產生比輸入能量還多的能量。此反應從2 MJ的輸入能量產生3.1 MJ的能量1。在2023年，一項類似的實驗從相同的能量輸入釋放出3.9 MJ的能量。
這項NIF的成就使得慣性約束核融合(inertial confinement fusion，ICF)成為可能1。ICF利用強大的能量源(通常為雷射)加熱和壓縮燃料到非常高的溫度和密度，以致燃料無法被任何機械力或電磁力平衡，所以一旦被壓縮，燃料就會因為它自己本身的慣性維持侷限在一個空間，這是核融合發生的時刻。燃料維持被壓縮，直到它自然恢復到未壓縮的狀態為止。
花費的時間由疏密波通過燃料靶材之運動來定義，通常少於一奈秒2,3。整個ICF程序是脈衝式的，為了能量產生，程序必須要週期性地反覆，而且每個靶材釋放的能量必須遠超過傳遞給它的能量。對於NIF的成果，反應燃料――氘-氚(deuterium–tritium，DT)電漿態的混合――被加熱到高溫，並約束在高密度夠長的時間，以致產生的能量超過雷射傳遞的能量1。
核融合研究人員也一直在研究磁約束核融合(magnetic confinement fusion)，其使用的磁場為地球磁場的100,000倍，強磁場將真空腔內的熱電漿保持在平衡狀態4。自1950年代晚期，大型的國家與國際計畫便支持磁約束核融合的研究，並操作具不同磁場配置的實驗裝置，目前為止，表現最好的是稱為托卡馬克(tokamak)的環形裝置，關於更多有關磁場約束核融合的資訊，請參閱第49頁的方框。
磁約束核融合
近期有關磁核融合能方面的主要成果，包含中國合肥省先進實驗超導托卡馬克裝置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)的1000秒穩態電漿的操作17，以及位於英國庫爾漢姆(Culham)的歐洲聯合環狀反應爐(Joint European Torus，JET)在5.2秒內產生69 MJ的能量18。磁核融合機器之中，JET保有Q值0.67的紀錄，此為核融合熱功率與灌注於機器來加熱電漿的功率之比值，輸入功率的形式為電磁波或高能電子束。
更高的Q值是商轉規模的核融合功率所必需的，國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER) 為法國境內多國建造的大型托卡馬克，目標是在幾分鐘內產生500 MW的核融合功率，Q值5-10。ITER托卡馬克預計在2034年開始運轉，幾年後使用DT燃料。許多ITER的合作夥伴已經開始做後繼反應爐”DEMO”(DEMOnstration power plant )的概念設計與技術研發，根據核融合產業學會(Fusion Industry Association)，一些私人企業已籌資約40億美元，尋找利用磁約束通往核融合能的加速途徑。
NIF的淨增益里程碑發起以ICF方法產生商轉規模核融合能的推動，現在一些基本的物理問題已經克服了，公私企業正致力於解決使用慣性核融合來發電會面臨的技術挑戰。
成分與問題
對於恆星內部的核融合反應，約束是由重力所引起。在1920年、核反應與中子星的發現以前，亞瑟•愛丁頓(Arthur Eddington)便假設恆星的能量可能來自氫原子融合形成氦原子的核反應；到了1930年代初期，實驗室實驗觀察到核融合反應，幾年後，它們被公認為恆星動力的來源。
以太陽為例，太陽是由一系列的核融合反應來提供動力：它開始於兩個質子核融合成一個氘核――一種基於弱作用力的beta衰變――結束於氦核的形成。雖然這一系列反應和愛丁頓的假設不同，但他對初始與最終產物的判定基本上是正確的。
「駕馭恆星的力量」這句經常反覆聽到的諺語，是令人感到美好卻又過於簡單化的，地球上產生核融合能，需要將氫同位素氘(D)與氚(T)之燃料混合物取代僅有一顆質子的氫，前者的反應活性為1025 倍。在核融合反應爐裡，DT反應產生一個α粒子與一個中子，氘可以便宜地從普通的水中取得，但氚僅有微量存在，當核融合反應爐產生的中子與鋰反應時，可供應DT反應所必要的氚。為了產生能量，DT燃料需要達到5千萬至1億K的溫度，這是太陽中心溫度的好幾倍。
DT極大的燃料比能(specific yield)(334 TJ/kg)，限制靶材中燃料的質量只能在幾毫克，否則爆炸能量無法容於反應爐內，要從如此小量的燃料獲得大的增益，只有將燃料壓縮到密度約為液態DT密度的1000倍。為了達到高的增益 G ≫ 1 (G為核融合能對輸入核融合靶材的能量之比)，雷射必須加熱燃料的一小區域，直到「點火」(ignite)，一旦熱點產生並且發生DT反應，大部分核融合反應的中子會無散射地逃逸，但高密度DT燃料將這些α粒子減速，使之能量存入燃料裡。
當這些α粒子存於熱點的能量超過它損失的能量時(因為剎車輻射、電子熱傳導、機械作功)，熱點會發生自熱(self-heats)，而燃燒波會在燃料裡傳播。要點火熱點，必須符合幾種條件：其溫度必須高於5 keV(大約5-6千萬K)，且α粒子的大部分能量必須囊括在熱點中，除此之外，熱點需要有太陽中心的兩倍壓力。
這樣極端的熱力學條件可以藉由雷射驅動的內爆獲得，這個方案隨即在雷射的發明後設計出來，十年後首度於科學文獻中討論5。圖1顯示雷射光(直接驅動)或雷射產生之熱X射線(間接驅動)的奈秒脈衝如何將能量均勻地遞送到毫米大小空心球形膠囊的表面6，這個膠囊由一個稱燒蝕體(ablator)的輻射吸收材料外層，和一個冷凍DT燃料的內層所組成。
圖1、慣性約束。(a)直接驅動的方法中，奈秒的雷射光脈衝驅使氘–氚燃料膠囊加熱並且壓縮，燃料自身的慣性讓它被約束足夠長的時間，變成燃燒電漿(burning plasma)並持續核融合反應。(b) 間接驅動的原理類似，不過是應用雷射在稱為環空器(hohlraum)的圓柱空腔內所產生的熱x射線，來將能量送到核融合膠囊。(改編自 S. Atzeni, Plasma Phys. Control. Fusion 51, 124029, 2009)
直接驅動與間接驅動兩個方法中，膠囊外部都被加熱與燒蝕，形成膨脹的熱電漿，如圖2所示，由於膨脹電漿施加100 Mbar的壓力，動量守恆致使外殼的剩餘部分如球型火箭般以300–500 km/s速度內爆。膠囊所吸收的能量約有5–15%以動能形式傳到燃料，當內爆停止時，動能轉換成內能，燃料被壓縮，熱點於其中心形成。
圖2、雷射核融合。核融合燃料的球形膠囊 (a)受雷射系統照射後，外殼外層被加熱並形成熱膨脹電漿(黃色)。(b)電漿的巨大壓力迫使裝有氘–氚燃料的膠囊剩餘部分內爆。(c) 其結果是熱點的形成，周圍為密度較大、較冷的燃料。(d)一旦點火，燃燒的燃料向外擴張，釋放出來的核融合能量被運用來發電。(改編自S. Atzeni, Plasma Phys. Control. Fusion 51, 124029, 2009)
這個球形火箭機制集中空間裡的能量，並將燒蝕電漿產生的壓力，從膠囊表面的幾百Mbar放大到膠囊停滯時壓縮燃料的幾百Gbar，然而，它的實現需要研究人員解決幾個有關能量效率、內爆對稱性與穩定性的關鍵問題7。雷射能量與燃料的有效耦合需要可見光或UV範圍內的短波長光，並且峰值強度大到足以產生必要的100 Mbar壓力，但又不高到會激發有害的電漿不穩定性而降低光的吸收。
除此之外，雷射脈衝的功率必須能即時調整，來確保大部分燃料平穩、低熵的壓縮，燃料的球形匯集與中心熱點的產生，都要求高度對稱的內爆，還有近乎完美均勻的球狀照射。流體動力學不穩定性(hydrodynamic instabilities)――產生於靶材中不可避免的雜質，及短空間與時間尺度的照射不均勻性――也必須要被考慮，這種不穩定性會威脅膠囊外殼的完整性，並導致不想要的物質混入燃料內。外殼的厚度，或更精確地說，”半徑對厚度的比值”，是個關鍵參數，其值如其它許多設計的選擇一樣，是個妥協：雖然靶材愈厚對不對稱性與不穩定性愈不敏感，但它需要更強的照射，致使更容易遭受電漿不穩定性的影響。
證明點火
1990年代初期，勞倫斯利佛摩國家實驗室的科學家們有自信可以證明點火，他們已經累積超過20年的大量理論、實驗與計算數據，這些國家實驗室的科學家選擇以間接驅動作為主要方法6，而不是採用直接驅動，因為他們相信前者控制燃料膠囊的對稱性與穩定性較佳。
他們設計雷射脈衝與靶材來控制關鍵的對稱性與穩定性問題。靶材是一個稱為環空器的1公分長圓柱空腔，包含一個空心球狀的燃料膠囊，如圖3所示，靶材被NIF產生的192道雷射照射，其共同發出15–25奈秒的350 nm UV光脈衝，總能量為2 MJ而功率峰值為500 TW。環空器內，雷射光轉換成x射線，隨後間接驅動膠囊內爆。
圖3、在國家點火設施實驗用來證明點火的核融合靶材，由一個充滿氘–氚氣體的高密度碳膠囊，與一個低溫冷卻的DT燃料外殼組成。膠囊懸浮在一個稱為環空器的圓柱空腔內，將雷射光轉換為x射線，驅動膠囊內爆。(改編自參考文獻1)
NIF實驗開始於2009年，之後三年進行首次的點火計畫，但結果令人失望：測得的核融合產能只有幾千焦耳，而不是預期的百萬焦耳。分析指出，設計實驗的模擬出現的一些差異，是導致效能差的原因，例如環空器內產生的電漿造成雷射耦合效率降低、導致有害的雷射––電漿交互作用8，以及對稱性較差的內爆。
設計裡的小工程結構引發流體不穩定性，是另一個問題。舉例來說，用來將DT燃料填入膠囊的10 µm寬管子，以及維持膠囊在環空器中央的薄膜，會促使燒蝕體的碳原子混入DT燃料，這個混合增加了輻射損失，進而阻礙熱點的加熱。
隨後幾年，NIF的核融合計畫(由美國和全世界大約1000位的科學家們執行)做出一系列的變革。他們完善原本的設計，在不變更整體方案的情況下逐步地控制內爆9，團隊有許多重要改變，包括更改雷射脈衝的波形、修正環空器與膠囊的尺寸、代換環空器材料及燒蝕體材料，並減小燃料填充管子與固定膠囊的薄膜之大小。除此之外，雷射脈衝的能量從1.9 MJ提升到2.1 MJ，並利用非線性雷射–電漿交互作用來改善光束之間的功率分布。
這些努力大幅改進了實驗設置，最後得到一些成果：2021年的熱點點火(見圖4)和1.3 MJ的能量釋放10；2022年首度展示超過1的增益(G=1.5)，產能為3.1 MJ；而在2023年，3.9 MJ的能量釋放1。(更多關於第一個實現核融合能量增益的實驗之內容，請參閱Physics Today線上文章，National Ignition Facility surpasses long-awaited fusion milestone”，2022年12月13日)
圖4、核融合實驗的表現。實驗中熱點壓力峰值與測得燃燒時間之乘積對熱點溫度的關係作圖(1 keV = 1.16 × 107 K)，假使數據點及其誤差線高過橘色實線，點火發生，對於氘–氚燃料被碳雜質汙染的實驗，假使數據點高過橘色虛線，點火發生。在2021-22年間，有三次實驗克服了點火邊界，另有三次與邊界重疊，但鑒於不確定性，沒有明顯超過。從2010年的最早期實驗繪製於左下角，數據顯示實驗的穩定改善。(改編自參考文獻1)
在NIF展示的點火，證明雷射驅動壓縮、熱點點火而後燃燒傳播(任何雷射慣性核融合方案的兩大基本支柱)兩者之可靠性，這個展示改變了慣性核融合研究的前景，亦開闢一條通往慣性核融合能源(inertial fusion energy，IFE)的道路。儘管能源產生一直被認為是ICF研究一個可能的長期目標，能源部的國家核安全管理局(National Nuclear Security Administration)資助此美國計畫和NIF，作為美國核儲備管理計畫(US Stockpile Stewardship Program)的一部分。不過，這個點火成就已然引發了各種新行動，包含更多的私人企業投入追求IFE。
慣性核融合能源
要實現IFE，仍需要在多個領域有重大的進展。雷射-IFE反應爐中，靶材釋放的核融合能量最終轉變成電能，一般是利用蒸氣渦輪系統，熱效率為40%。能量一部分比例f被用來增加雷射能量，同時其餘1-f輸送到電網。
初步的系統研究與經濟分析表明， f=0.25的值是用以雷射增能、同時仍兼容經濟可行能量生產的最大能量。為了達到此目標，靶材增益與雷射效率的乘積必須要大於10左右。對於效率10%的雷射，對應靶材增益約為100，這是NIF所展示的50倍大。目前為止，NIF已在單發實驗點火了一些靶材，但一個商轉規模的千兆瓦電廠需要以高重複率運作，每秒鐘點火數個低成本的靶材。
如此巨大的改進有可能嗎？如果有的話，在什麼時間尺度上呢？在我們考慮這些問題以前，要記得NIF的雷射是建立於30年前的技術，而雷射結構與靶材的設計是為了最大化現有技術點火的可能性，核融合研究過去數十年的進展揭示許多可改良的選擇。
靶材方面，NIF目前展示的G=1.9與2020年底達到的G值相比，增加了約30倍，利用NIF現行的間接驅動方案，可能再增加個5倍，間接驅動以直接驅動取代，耦合效率可能提高5-10倍。雷射與靶材技術的進步，已能克服一些導致NIF科學家選擇間接驅動結構的限制。
現代雷射能夠產生非常平滑的非同調光束，這是為了降低雷射引起的表面靶材擾動與雷射-電漿不穩定性兩者效應，前者會導致流體動力學不穩定性，而後者會降低雷射光的吸收。紐約羅徹斯特雷射能量學實驗室(Laboratory for Laser Energetics)的Omega雷射實驗近期證明，中心熱點能夠有效的形成11，並且模型指出，點火可用更大型的靶材與雷射達成。
利用先進的點火方案，像是衝擊波點火(shock ignition)12或高速點火(fast ignition)13,14，可再提高2-3倍。這些方案仍牽涉到雷射驅動的內爆，不過壓縮與熱點點火的階段是部分分開的，具厚層DT燃料的核融合靶材在盡可能低的溫度，以及比傳統方法低的內爆速度首先被壓縮至高密度，假如速度下降一半，相同的動能壓縮燃料可使用的燃料量為4倍。速度降低與燃料加厚會減少不穩定性的風險，讓雷射能量的使用更有效率。
愈大的靶材燃料愈厚，需要愈久的時間爆炸，將燃耗比率從NIF展示的約5%提高到20–30%，然而，降低的內爆速度卻妨礙點火熱點的形成。在高速點火的過程，熱點由電子或離子壓縮燃料產生，這些粒子透過持續若干皮秒的外加極強千兆瓦雷射脈衝來加速(見圖5)；在衝擊波點火的過程，熱點形成來自於功率達1 PW、時間幾百皮秒的多光束雷射脈衝對外殼近乎球對稱的照射。
圖5、質子高速點火。(a)當球狀的雷射照光照射核融合燃料靶材時，外殼被加熱並被吹開，觸發靶材以大約200 km/s的速度內爆。(b)超強雷射束與錐體支持的質子產生膜交互作用產生質子束，這離子束接著加熱被壓縮的燃料生成熱點。錐體為雷射束提供了一條乾淨路徑，並保護質子產生膜不受膨脹電漿與其輻射的影響。氫的同位素氘與氚在如此高溫的壓縮狀態下會核融合成氦，而核融合能可轉化為電能。(圖片來源： Kateryna Bielka, Focused Energy)
在雷射方面，NIF用的是低效率的閃光燈激發玻璃雷射(flash-lamp-pumped glass laser)，限制在單發的操作，不過它可由高效率的二極體激發玻璃雷射取代。這項技術目前在小的裝置得到證明，需要擴展到百萬焦耳的系統，二極體成本的快速下降，讓我們可以在未來10-15年做到如此升級。準分子雷射(excimer lasers)是固態雷射的一種替代方案，其利用氣體作為放大器介質，具有不傷害放大器材料的優點15。除此之外，由於波長較短，準分子雷射產生的壓力也比相同強度的固態雷射高。
目前實驗的燃料靶材是用手工製造，因為任何一種設計的靶材都只有少量生產，每一個靶材都需經過繁複的工序進行細緻的特性分析。但對於商轉的發電廠，必須每天生產、表徵多達上百萬個靶材，並注入到反應爐容器內，這種規模的程度只有商業規模的量產才可能做到，這方法可以大幅降低製造靶材的成本，但還有待證實。
磁核融合能裝置基本上是由單一的複雜機器所組成，其內電漿腔周圍環繞著熱交換電路、氚滋生器(tritium-breeding blanket)與超導磁鐵。不過，IFE方法的雷射與其它主要部件置於不同的建築物裡，遠離有害的反應爐環境，這樣分離不僅可在反應爐停機時進行維護，反應爐也有更多的材料選擇。雖然IFE反應爐比磁核融合能反應爐簡單許多，但它必須提供相關熱傳導、氚滋生與輻射圍堵的類似功能。一些仍需解決的IFE特有問題包括靶材插入與追蹤，以及反應爐與雷射光學之間介面的最佳化等。
一條加速的路徑
過去10年為商轉核融合能量而建立的眾多企業中，只有一些是專注於雷射驅動的IFE (請參閱Physics Today 線上文章，“The commercial drive for laser fusion power,”2021年10月20日)。為達到IFE所需的高增益，每家企業追求的方法不同，所有方法都有一個共同特徵：模組化。個別組件像是雷射或靶材，可平行地做開發與測試，當有更好的解決方案時，甚至可以在組合系統裡交換。
美國的IFE新創公司中，Xcimer Energy 使用氟化氬準分子雷射，以及間接與直接驅動混合的方式；Pacific Fusion則是磁場驅動的方法。我們兩個所效力的德美公司Focused Energy追求雷射的直接驅動，並利用二極體激發固態雷射做質子高速點火，儘管衝擊波點火正被評估作為備用方案。
Focused Energy正在開發一種模組化、循序漸進的方法：可以先建造一個規模較小、雷射束數量有限的設施，然後隨著時間進行增加雷射系統來提高效能。公司計畫在未來兩年內先以小的雷射系統開始，以解決重要的物理問題，接著發展一個小規模的內爆設施，在不點火靶材的情況下，將所有技術組件都能開發到所需要的準備程度。它們將會被組裝在一個示範的核融合電廠，這個電廠預定大約15年後開始運作。所以驅動雷射系統、靶材技術以及診斷系統都能在第一次的運轉之前做測試，這將會節省金錢與時間。
公家機關一直歡迎私人的IFE企業進入這個領域，在美國、德國與英國，國家實驗室、私人企業與大學之間已發展出公私的夥伴關係16，除此之外，能源部的LaserNetUS計畫也提供雷射設施給學術與私人用戶使用，私人企業可受益於公家機關在過去幾十年基礎研究所累積的專業經驗，反過來，公家機關也能學習到更靈活的措施，以及高風險、高回報的新穎概念。
NIF的結果證明雷射驅動核融合燃料能達到G > 1的燃料增益，並且其基本物理是被理解的，雖然對研究人員與企業來說，利用NIF的結果來建造商轉的發電廠仍有許多挑戰，但這條通往核融合能的道路是清晰可見的。
更新於2024年八月：此文較早的版本將圖3與圖4誤植為參考文獻4。
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本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, Aug. 2024雜誌內 (Physics Today 77 (8), 44–50 (2024); https://doi.org/10.1063/pt.zghg.fite )。原文作者：Stefano Atzeni; Debra Callahan。中文編譯：張鳳吟，國立陽明交通大學物理學系博士。
Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates Physics Today (American Institute of Physics) authorizing Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Stefano Atzeni; Debra Callahan and was published in (Physics Today 77 (8), 44–50 (2024); https://doi.org/10.1063/pt.zghg.fite ). The article in Mandarin is translated and edited by F. Y, Chang, National Yang Ming Chiao Tung University.
