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核融合电能何时能商业运转? (二) —产业的进程

图为劳伦斯利佛摩国家实验室的NIF核融合反应装置。劳伦斯利佛摩国家实验室是由氢弹发明人Edward Teller所成立。

核融合反应炉的研发起始于50年代。相较于英国在1956年已经开始商业运转的核分裂反应炉是晚了不少。 
 
早期核融合反应炉的最大问题在于电浆的约束:哪种机制可以约束住温度高到几乎可以融毁一切物质的电浆? 

延伸报导名人讲堂:核融合电能何时能商业运转? (一)—核融合反应炉的工程挑战
当时的核融合是当成基础科学议题来研究的。核融合反应炉何时可以商业运转发电?这个问题在上世纪的标准回答都是30年后—意思是还早着呢,一次一次接着跳票。 
 
最近的氛围已有显着变化,近年来市场资金总计投入近50亿美金用于核融合反应炉的研发,目前以此为主题的新创已接近40余家。 
 
近年来最令人振奋的消息之一,是2022年12月5日美国劳伦斯利佛摩国家实验室(Lawrence Livermore National Lab;LLNA)与国家点火设施(National Ignition Facility;NIF)合作的核融合反应有净能量收益(net energy gain)。 
 
此次实验采用的约束机制为ICF,共192管红宝石雷射以圆对称射向置于圆心的原料颗粒(pellet)均匀加温。投入的雷射能量为2.05百万焦耳(MegaJoules;MJ),产出的核融合能量为3.15MJ,能量增益系数Q=3.15/2.05>1.5,核融合反应本身的确能释放出能量!这是个里程碑式的实验。 
 
负责任的媒体还会加注其实那2.05MJ是由300MJ的电能产生的,遑论若依传统能量转换途径,核融合能得先转换成热能、热能再转换成电能,转换成电能的效率还得打一个大折扣。若真能成为发电设施,不只是反应炉,整个系统要有净能量增益。这样算来,粗估的核融合反应炉的净能量增益至少要Q>10才能涵盖系统中其他的能量消耗。商用系统还有一段路要走。
 
无论如何,原来是基础科研的问题转变成工程问题。工程问题可以分而治之(divide and conquer),研发速度因而加快。譬如LLNL与NIF的计划中的红宝石雷射若换成二极管雷射,能源输出效率可以提升30倍,这样就是稳稳向前迈一步。 
 
另一个促使进展加快的因素是新创的投入。这些新创与公共机构形成夥伴关系(public-private partnership),专注于一些特殊核融合反应炉发电的机构、机制或原料等技术,可以基于公共机构较周延的基础科研结果,快速进入商业运转阶段。 
 
当商业资金开始投入一个新技术时,由获利动机驱动的研发显示加速进展的可能。最近一个例子是量子电脑的发展。 
 
IBM在发展出第一代、第二代量子电脑时,预计的量子算力是以每年倍增的指数成长,这已是比摩尔定律—每18个月倍增—更积极的技术路标。发展迄今其实现状比这技术路标快多了! 
 
另外一个看起来比较不显着,实质上很重要者,是机器学习已经投入核融核反应炉的研发,最主要的两个领域是在材料开发和反应炉结构,以及核融合反应参数的优化。 
 
所以,核融合反应炉何时可以开始商业化?最乐观的是2030年初期,这个日期出现在一些新创公司网页和新闻。保守些的呢,有生之年。但是这不是以前谈的30年后,因为持这样主张的人也同时谈2050年的碳净零排放,核融合反应炉发电不再是遥遥无期的。 (作者为DIGITIMES顾问)

 

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任谘询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。