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去（2022）年12月13日，美國能源部發表了一項關於能源的重大技術突破——位於美國勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL）中的國家點火設施（National Ignition Facility, NIF），首度完成一項可控制的核融合實驗。NIF是美國能源部核武器計畫中的一項實驗設施，主要用來研究熱核爆炸（thermonuclear explosions），最初的目標是在2012年之前實現「點火」（ignition）〔註〕，但卻因為延誤與各種超支而飽受批評。不過在2021年8月NIF的研究有了一些新進展，團隊宣布他們已成功使用高功率雷射跨越了實現點火的閾值門檻，創下當時核融合的新紀錄。雖然後續在複製該實驗時失敗，但經過NIF的科學家們重新更改實驗設計後，於去年年底成功重覆該實驗。

〔註〕核融合研究中的「點火」是指核反應在適當的環境條件下，釋放出的能量加熱燃料的速度，比燃料冷卻的速度快，使整個核融合反應能自我維持。

目前學界有關核融合的研究可分為兩大類：磁場控制核融合（magnetic confinement fusion, MCF）與慣性控制核融合（inertial confinement fusion, ICF），NIF則是使用慣性控制核融合的方式來實現核融合產生能量。在NIF所執行的實驗中，核融合所需的燃料是一種由氘、氚混合的結晶製成，直徑約兩毫米（mm）的球殼靶材，且在靶材的內部空間也充滿氘、氚的混合氣體。實驗進行時會以192道雷射光束將2.05百萬焦耳（mega joule, MJ）的能量以約10奈秒（ns，10^-9秒）內傳送到靶材上，快速地將靶材壓縮到直徑約0.1毫米，使得靶材內部形成高溫高壓（溫度大於1.5億℃、壓力大於5000億個大氣壓）的環境，令氘、氚在約100皮秒 （ps，10-12秒）的極短時間內融合成氦，引發一連串核融合反應並釋放出能量。

由於靶材製作技術的提升，提供了氘、氚混合更均勻的靶材；再加上近期NIF雷射的效能提高，輸出功率比過去多了8％，因此可以使用球殼較厚的靶材，也減少了過往因為靶材製作上的缺陷對靶材表現的影響。根據實驗室中的分析紀錄說明，這次反應大約釋放了3.15 MJ的能量，比進入反應前的能量還多約54％，更比先前實驗中記錄到的1.3 MJ能量更多。來自紐約羅徹斯特大學（University of Rochester）雷射能量學實驗室、同時也是NIF早期支持者的坎貝爾（Michael Campbell）在《自然》（Nature）期刊發布的報導中表示：「有關核融合的研究從1950年代初期就開始了，這也是我們第一次在實驗室中發現核融合產生的能量超過了它所消耗的能量。」

在每次 NIF 的實驗開始前，工作人員都會精準定位靶室內部的靶定位器，並以此作為參考校準雷射光束。
（Lawrence Livermore National Security, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons）

儘管花了十多年的時間，但本次NIF成功完成了可控制的核融合實驗，無疑是核融合研究的一項里程碑。NIF的研究結果引發了人們對於以較清潔的核融合作為未來能源的想像，不過專家也提醒，要以核融合作為能量供給來源還有很長的一段路要走。成功大學太空與電漿科學研究所副教授張博宇在台灣科技媒體中心發布的新聞稿中就表示，若想透過使用雷射實現慣性控制核融合來發電，必須要再提高靶材產生能量的效率，也要採用品質更好、速度更快的靶材製作技術，實驗的重複率也要從每天一次提升到每秒10次。此外，由於NIF當初在設計時是以國防研究為重點，並沒有考慮到核融合未來的商轉，也未使用最新的雷射技術， 因此必須以更高能量轉換效率、更高重複率的雷射進行實驗。勞倫斯利佛摩國家實驗室的主任巴迪爾（Kim Budil）也說明道，這項實驗的目的並非將NIF接入電網，因此未來若真的要將核融合產生的能量用於發電，將能量轉換為電能的技術也需要再加以研究。

除了NIF之外，由中國、歐盟、英國、印度、日本、 韓國、俄羅斯、美國等國家合作，耗資220億美元在法國卡達拉舍打造的「國際熱核融合實驗反應爐」 （International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER），希望能在實驗室中創造出一個「微型太陽」， 點燃可維持核融合的電漿體（plasma），使人類能獲得 取之不盡的潔淨能源。與NIF採用的方法不同，ITER將 氘、氚的電漿體限制在一種稱為托卡馬克（tokamak）的環形真空室中，並將它加熱直到產生核融合。ITER 預計在2025年正式開始電漿體實驗測試，並在2035年進一步進行氘－氚融合實驗。

即便以現階段而言，使用核融合作為潔淨能源發電仍有許多挑戰有待克服，但NIF本次取得的結果顯示核融合發電不再只是遙不可及的夢想，而是一項有可能實現的目標。透過這些研究結果也將增加人們對核融合 研究的興趣，吸引更多政府、民間資源投入，有望對核融合相關研究產生正面影響。

新聞來源
1. Tollefson, J., & Gibney, elizabeth. (2022, December 13). Nuclear-Fusion Lab Achieves 'Ignition': What Does It Mean? Nature. https://www. nature.com/articles/d41586-022-04440-7
2. 台灣科技媒體中心（2022年12月15日）。「美國勞倫斯利佛摩國家實 驗室核融合進展報告」專家意見。台灣科技媒體中心。https://smctw. tw/14769/。