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核融合電能何時能商業運轉? (二) —產業的進程

圖為勞倫斯利佛摩國家實驗室的NIF核融合反應裝置。勞倫斯利佛摩國家實驗室是由氫彈發明人Edward Teller所成立。

核融合反應爐的研發起始於50年代。相較於英國在1956年已經開始商業運轉的核分裂反應爐是晚了不少。 
 
早期核融合反應爐的最大問題在於電漿的約束:哪種機制可以約束住溫度高到幾乎可以融毀一切物質的電漿? 

延伸報導名人講堂:核融合電能何時能商業運轉? (一)—核融合反應爐的工程挑戰
當時的核融合是當成基礎科學議題來研究的。核融合反應爐何時可以商業運轉發電?這個問題在上世紀的標準回答都是30年後—意思是還早著呢,一次一次接著跳票。 
 
最近的氛圍已有顯著變化,近年來市場資金總計投入近50億美金用於核融合反應爐的研發,目前以此為主題的新創已接近40餘家。 
 
近年來最令人振奮的消息之一,是2022年12月5日美國勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Lab;LLNA)與國家點火設施(National Ignition Facility;NIF)合作的核融合反應有淨能量收益(net energy gain)。 
 
此次實驗採用的約束機制為ICF,共192管紅寶石雷射以圓對稱射向置於圓心的原料顆粒(pellet)均勻加溫。投入的雷射能量為2.05百萬焦耳(MegaJoules;MJ),產出的核融合能量為3.15MJ,能量增益係數Q=3.15/2.05>1.5,核融合反應本身的確能釋放出能量!這是個里程碑式的實驗。 
 
負責任的媒體還會加注其實那2.05MJ是由300MJ的電能產生的,遑論若依傳統能量轉換途徑,核融合能得先轉換成熱能、熱能再轉換成電能,轉換成電能的效率還得打一個大折扣。若真能成為發電設施,不只是反應爐,整個系統要有淨能量增益。這樣算來,粗估的核融合反應爐的淨能量增益至少要Q>10才能涵蓋系統中其他的能量消耗。商用系統還有一段路要走。
 
無論如何,原來是基礎科研的問題轉變成工程問題。工程問題可以分而治之(divide and conquer),研發速度因而加快。譬如LLNL與NIF的計畫中的紅寶石雷射若換成二極體雷射,能源輸出效率可以提升30倍,這樣就是穩穩向前邁一步。 
 
另一個促使進展加快的因素是新創的投入。這些新創與公共機構形成夥伴關係(public-private partnership),專注於一些特殊核融合反應爐發電的機構、機制或原料等技術,可以基於公共機構較周延的基礎科研結果,快速進入商業運轉階段。 
 
當商業資金開始投入一個新技術時,由獲利動機驅動的研發顯示加速進展的可能。最近一個例子是量子電腦的發展。 
 
IBM在發展出第一代、第二代量子電腦時,預計的量子算力是以每年倍增的指數成長,這已是比摩爾定律—每18個月倍增—更積極的技術路標。發展迄今其實現狀比這技術路標快多了! 
 
另外一個看起來比較不顯著,實質上很重要者,是機器學習已經投入核融核反應爐的研發,最主要的兩個領域是在材料開發和反應爐結構,以及核融合反應參數的優化。 
 
所以,核融合反應爐何時可以開始商業化?最樂觀的是2030年初期,這個日期出現在一些新創公司網頁和新聞。保守些的呢,有生之年。但是這不是以前談的30年後,因為持這樣主張的人也同時談2050年的碳淨零排放,核融合反應爐發電不再是遙遙無期的。 (作者為DIGITIMES顧問)

 

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。