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重點提要
■氫同位素在融合時，能很快釋出巨大能量。在數十年來人類熱切追尋核融合能量的過程中，這是個重要的里程碑。
■如果能駕馭這個巨大的能量，就能藉此建造革命性的新型發電廠。
■但科學家現在發現了嚴苛的工程挑戰，可能影響未來數年內這種發電廠的建造工作。
點火的時刻越來越接近了。在這一、兩年內，美國國家點燃設施（NIF）的192道雷射光束，就要將全部能量集中在大小不到一粒胡椒籽的小球上。這個耗時13年、耗資40億美元的雷射系統，是全世界規模最大、能量也最強的。雷射光束將會擠壓小球核心，力道足以融合球中的氫同位素，釋放出相當於小型氫彈的龐大能量。
這件事其實以前就有人嘗試過，而且成果還不錯。但是，以往科學家使同位素融合時，經由雷射輸入的能量往往大於核融合反應釋出的能量。這次情況就不一樣了！小球核心爆炸所釋出的能量將大於雷射輸入的能量，這個轉變的意義不只是帳面上的數字差異。理論上，我們可以收集這些多出來的能量，把核融合裝置當做發電廠。這座發電廠不僅可取用一般海水中的成份當做燃料，而且完全不會製造空氣污染或放射性污染。這種發電方式就好像用一顆恆星來推動地球上的無數機器，它能永遠滿足人類對能源無止境的需求。
世界上還有其他大型核融合設備也在建造中，例如位於法國南部卡達哈希村外的國際熱核實驗反應爐（ITER）是一項耗資140億美元的工程，他們採用的引燃方式不是雷射，而是以超導磁鐵將氫同位素聚集在一起，再加熱到1億5000萬℃，這項實驗的淨能量效益同樣可望大於零。此外，NIF的雷射系統是以間歇方式輸入能量，而ITER的磁鐵則可將電漿聚集數十甚至數百秒，持續產生能量。
人類自從進入核子時代，便熱切渴望能駕馭恆星核心進行的反應，因此這些成就將是重要的里程碑。但是製造引發反應的火苗恐怕還算整個過程中比較容易的部份。現在越來越多資深的核融合科學家認為，建造並維持核融合發電廠運作所需面對的物理挑戰，可能比製造火球更嚴峻。有些沒有直接參與核融合研究的物理學家則提出質疑，因為即使就理論看來，這個目標都未必能達成。可運作的反應器採用的建材必須能連續多年承受數百萬℃的高溫，而且還會受到高能量核粒子連續撞擊，一般材料在這種情況下都會劣化變脆並受到輻射污染。同時這類反應器還必須藉由複雜的滋生過程產生核燃料來使用。另外，要在電力網中成為有貢獻的生產成員，這類反應器還要能連續數十年穩定運轉，不能中斷、停機或發生事故。
美國德州大學奧斯丁分校核融合研究所主任赫塞汀（Richard D. Hazeltine）表示：「以往大家抱持的態度一直是：『沒錯，這些問題不大好對付，但都可以解決，我們還是專心研究核融合本身就好。』但這樣想是不對的。」
大自然蘊藏的巨大能量
核融合（或是應該說難以產生核融合）至少從1860年代開始，就是令科學家頭痛的問題。達爾文新的天擇演化理論曾經提到，要解釋地球上難以想像的生物多樣性，必須有長達數十億年的漸進變化。但當時英國著名物理學家湯姆森所提出的太陽年齡估計值，卻斷定太陽的年齡只有幾千萬年。美國科普作家席夫（Charles Seife）在他2008年的著作《瓶子中的太陽》中就提到，達爾文認為湯姆森的批評是對演化論最嚴重的打擊，他只能軟弱地反駁說科學家不該太早下定論，因為我們對宇宙定律的了解仍不夠完整。
不過達爾文說對了。直到70年後，科學家才了解太陽發光的原理；到了1930年代，科學家了解所有物質都是由原子構成，原子核則是由帶正電的質子和電中性的中子構成（氫是唯一的例外，其原子核只有一個質子）；愛因斯坦透過E＝mc2公式證明質量可轉換成能量，光譜研究也顯示，太陽並非如湯姆森假設的是一塊熔化的岩石，它大部份是氫、一小部份是氦。
1938年，物理學家貝特（Hans Bethe）發現，太陽核心的壓力一定非常大，使得將氫原子核壓擠在一起的力量，超過它們之間的斥力。貝特推測出氫離子融合在一起的四階段連鎖反應，這個反應的最終產物質量比反應物的總質量略輕，減少的質量則透過E＝mc2公式轉變成能量，讓太陽放出光與熱。
這種複雜的連鎖反應得由極高的壓力才能引發，而只有恆星的核心才會有如此高的壓力。另外一種比較容易引發融合反應的方法，是使用氫的兩種同位素：原子核中有一個質子與一個中子的氘，以及原子核中有一個質子與兩個中子的氚。將氘和氚拉近到一定距離，兩者就會結合成氦（原子核有兩個質子和兩個中子）和一個中子，並爆發出大量能量。這種反應所需的溫度和壓力較低，但仍足以產生巨大能量來引發核融合反應。
如果科學家能在受控制的環境下催化核融合，全世界的能源問題將迎刃而解。核融合的燃料在地球上十分豐富，氘可由海水提煉，氚則可在反應器中產生。另外，核融合跟核分裂式反應器最大的不同，就是不會產生壽命極長的放射性副產物，也就是一般統稱的核廢料。理論上，每加侖（3.78公升）含有氘的水可產生的能量就相當於一艘裝滿石油的超級油輪，而且只會排放出一點點氦氣。NIF主任摩西（Edward I. Moses）表示：「不會有地緣政治的問題，只會有乾淨的能源和取之不盡的燃料，簡直是理想得讓人無法置信。」
事實也的確如此。第一個核融合反應器方案於1950年代問世，由美國普林斯頓大學教授史畢哲（Lyman Spitzer）所設計。據他估計，這座「類恆星熱核能反應器」（Stellarator）可產生1億5000萬瓦能量，足以供應15萬個家庭所需的電力。他的設計概念是，在核融合反應所需的高溫環境下，所有電子都會脫離原本所屬的原子，形成一團稱為「電漿」的帶電粒子，並可由磁場加以控制。史畢哲的「類恆星熱核能反應器」實質上是一個磁瓶，可以控制溫度高達數百萬度的電漿。
但史畢哲和後來接續研究的學者並沒有徹底了解電漿的特性。他們很快就失望地發現，電漿其實沒有那麼容易控制。
想像你手上捧著一個軟糊糊的大氣球，要把它盡量壓縮到最小。你施加的壓力再平均，氣球都一定會從指縫往外擠出，電漿也是如此。科學家試圖將電漿壓縮成足以引發核融合反應的球體時，電漿總是能夠找到地方逸出。所有的核融合反應器都會遇到同樣的問題：電漿的溫度越高、壓縮得越厲害，反抗的力道就越強。
之後60年間，科學家一直努力以更大的磁瓶來控制電漿。每當科學家為了解決一個問題而改良機器，更大的能量又會繼續帶來新的問題。曾任美國阿崗國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室主任、目前為ITER技術顧問委員會主席的貝克（Charles Baker）說：「無論你怎麼處理，電漿永遠有那麼一點不穩定。」
1970年代的能源危機還促成了另外一項核融合研究計畫，這項計畫希望能避開以磁場控制電漿時造成的問題。這類技術使用一組雷射來壓縮並加熱氘和氚製成的小球，由勞倫斯利佛摩國家實驗室（也是美國核融合武器計畫的發源地）來研究，並從簡單的雙光束裝置開始。雷射能量提升促成了1977年的濕婆計畫以及1984年的新星計畫。這兩項計畫各自打破了利佛摩實驗室保持的雷射脈衝能量世界紀錄，但它們也和磁性計畫一樣，無法讓核融合產生的能量等於雷射輸入的能量。如果要能打平，利佛摩實驗室需要能量高達以往70倍的雷射裝置。1997年，NIF開始這項建造計畫。
【完整內容請見《科學人》2010年第100期6月號】
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