本文转载自科技大观园，原文为《托克马克反应炉：地球上创造的人造太阳——成功大学电浆所向克强教授专访》作者/科技大观园特约编辑|何钦荣随着工业的发展，人类对能源的需求与日俱增。然而，传统能源大多依赖于地壳深处的化石燃料，资源不仅有限而且对环境造成严重污染。为了解决能源危机，科学家们几十年来一直在寻找新的替代能源，这些替代能源必须既清洁又安全，同时又足以满足人类对能源的需求，但这种能源是终极的。
如果你觉得难以想象，不妨抬头看看天空。
恒星内部有一个持续的核聚变过程。以太阳核心为例。氢核相互碰撞，在高温高压下融合成更重的氦原子。在这个过程中，质量缺陷带来巨大的能量释放，也成为太阳持续发光发热的来源。
核聚变反应在恒星内部继续进行。图//pixabay自二战结束以来，模仿星核热聚变作为地球上能源的想法就一直存在，但如何实现远比想象中困难。仅仅是寻找适合聚变反应的材料和理解混沌热等离子体行为就花了几十年的时间。地球上的人造太阳应该放在什么样的装置里也是一个很大的问题，而托卡马克是目前科学家们已经找出的最佳解决方案。
什么是托克马克反应炉？
核聚变等离子体约束理论专家、国立成功大学等离子体研究所教授向克强指出，在核聚变研究的早期，各国科学家对约束装置有很多不同的想法，但这些想法在1968年苏联公布tokmak数据后发生了变化。因为托克马克得到的结果远好于当时所有的设计近10倍，所以几乎一夜之间所有国家都放弃了原来的设计，转而使用托克马克。
在没有恒星内部引力等环境下，在实验室建造实用核聚变反应堆的温度要求远高于太阳核心。以目前的第一代燃料氘(D)和氚(T)为例，所需温度为1.5亿C，约为太阳核心的10倍。除了极高的温度，科学家还必须设法约束和维持等离子体的稳定性，为等离子体粒子产生核聚变反应创造适宜的环境。
这就是托克马克所拥有的。从外观上看，托克马克就像一个甜甜圈。环形管道与抽气系统连接形成真空室。管道的外层缠绕着超导磁体线圈。环形等离子体电流和线圈电流产生的磁场可以抑制内部的等离子体粒子因与管道接触而损失能量，消除终端损失，提高能量产生效率。
托克马克反应堆内部结构。图//维基媒体向克强解释，核聚变研究的主要目的是证明Q值(聚变能增益因子)可以大于1，即核聚变反应输出的能量大于维持核聚变反应的外部能量，以此来确认它真的可以用于发电。有趣的是，核聚变研究的进展其实和半导体领域的摩尔定律非常相似。每两年左右就会翻倍，最近几年的最新结果已经相当接近当初Q=1的目标了。
“如果从1932年第一次核聚变小实验开始，人们已经走了近一个世纪，每隔几年就走一步，现在终于要跨越1的目标了。一旦能证明Q可以大于1，甚至达到10，这将是足以获得诺贝尔奖的成就。」
ITER(国际热核聚变实验堆)是一个多国合作反应堆，位于法国南部普罗旺斯附近，它正承载着这一希望，为实验做准备。与传统电厂的目的不同，ITER的目标不是生产能源供使用，而是证明核聚变发电已经从等离子体物理的实验研究走向实用阶段。目前，ITER已完成前期建设，预计2025年进行首次等离子体试验，2035年进行氘氚聚变实验。最终的目标是葛
核融合发电与核能发电差异？人造太阳安全吗？
说到核电，很多人第一时间想到的可能是现在的核能发电。但是，核电和核聚变能源完全是两码事。目前核能发电采用核裂变技术，发电的核心是依靠利用像铀这样的重元素裂变后形成连锁反应来释放能量。虽然能提供大量能量，但也会产生半衰期数万年的核废料。长期存放和环境污染也是最受诟病的地方。
相比之下，托克马克采用核聚变技术，通过设置适当的环境，可以使两个轻核相互融合产生能量。以目前用于反应的氘和氚为例。氘可以从海水中提取。虽然氚是由宇宙射线产生的，在自然界中极其罕见，但锂与中子反应也能产生氚。聚变过程中产生的放射性产物的半衰期最多只有1年或200年。向克强还提到了国外的最新研究，指出通过再利用产品，甚至在医院里像处理放射性废物一样处理都是理想的，更不用说将来找到更合适的二代、三代了。
核聚变反应
，氘-氚的核融合反应产生氦与中子，期间释放出的核能。图／wikimedia
在安全性上，由于维持核融合反应需不断的添加燃料，并不像核分裂会自主产生连锁反应，一旦系统停止运作内部的融合反应也会立即停止，不会发生如传统核电厂般炉心熔毁导致辐射外洩等无法控制状况，建造不需要大片土地，零件製造上也比太阳能製造过程更为环保，加上运作过程没有任何碳排放且只会产生少量的放射性废弃物，可以说核融合对环境相对友善之余又可满足能源要求，与核能相比，应该是更容易被社会所接受的能源来源。
向克强认为，讨论核融合最重要的一点，便是去了解「核融合与非核家园的愿景并不冲突」。这不仅是单方面的说词，许多国家都有着同样想法，以同样主张非核家园的德国为例，除了是 经由欧盟参与ITER的主要参与国之一，德国国内更有托克马克和仿星器 W7X 两大核融合反应装置，在核融合研究投资上丝毫不手软，邻近台湾的韩国也在国内自力建造被称为韩国太阳的 KSTAR托克马克并参与ITER，甚至直接标榜核融合为「绿能」。
终极绿能的未来
由于托克马克带来的能源愿景十分远大，除了 ITER 的环形托克马克形式，目前国际新型态的圆形托克马克也展现出不同方向的发展潜力，向克强透露，许多先进国家早已有长远的核融合发展计划，除了参与 ITER，欧盟、美国、中国、日本、韩国自家的托克马克研究项目也都在持续进行，「就像所有科学研究一样，彼此间是合作也是竞争关係，大家都已经开始考虑 ITER 之后该做些什么。」
所有人都想打造人造太阳来解决国内能源问题，但我们似乎忘记了什么重要的事情。
目前 ITER 约有多达 35 个国家参与，欧美民间也有一些企业正积极投资，就连泰国、哥斯大黎加也都了解到核融合对未来的重要性．开始投入大笔资源进行核融合研究，许多国家甚至开始规划在 2050 年前后建造示範性核融合电厂，相较之下，台湾目前仅有极小规模的研究能量，向克强形容，现在的情况就像是国际上有一场关于乾净能源的盛宴，唯独台湾没有参与其中。
事实上作为缺乏天然资源的亚洲国家，理应更迫切期待更好的能源来源出现，向克强指出，过去印度推广核融合的专家访台演讲时，就曾直接表示印度的生活水準若要提升至与欧美国家相仿，核融合将是为未来「唯一选项」，从国内核电厂造价来看，台湾其实也具备国力发展核融合电厂，现在最重要的是尽早在现有基础上投入更多先端研究，同时培养相关人才，才能在未来能源变革上与世界接轨，「我们已经落后许多，现今必须竭力赶上。」
回忆起投入核融合研究的契机，向克强笑着表示，他依稀记得 1969 年仍就读高中时，刚成立不久的徐氏基金会曾举办一场科普演讲，邀请到刚参访美国相关机构的大学教授谈论核融合，讲者在最后说了这样一段话：也许，根本没有任何人了解核融合，就是这样一段话提起他的兴趣，往后数十年间一头栽入核融合能源领域研究中。如今向克强不仅是核融合电浆拘限理论的专家，更是国内托克马克反应炉理论的少数研究者之一，带着曾于美国橡树岭国家实验室、韩国、日本核融合研究中心担任教授或科学家的经历，目前也持续在成大电浆所投入国内与国际合作研究，协助建立核融合能源及电浆科学研究团队。
向克强表示，他也是后来才发现 1969 年正好是托克马克开始被各国重视的年代。「如果当年没有去参加那场演讲，也许我今天就是在其他领域进行研究，只能说人生有很奇妙的对称性。现在到我这个年纪也开始要为大众科普贡献绵薄之力，希望同样能带给一些人正面影响。」
50 年过去，人们现在对核融合的理解已经更为深入，掌握了许多当初不清楚的环节，然而核融合发电的研究仍在持续，ITER 的氘氚实验至 2035 年才开始，发电厂设计还有更长远的路要走，人才培育需要数十年的时间，如果现在起步，或许这样的对称性仍可持续延续下去。
参考文献
- 科普 |《瓶中的太阳》：核聚变的怪异历史
- 核融合 – 彻底解决台湾能源问题
- 环保、核安问题与能源危机有解？──谈核融合发电
- Mind-boggling magnets could unlock plentiful power
- What is ITER?
- Nuclear Fusion : WNA – World Nuclear Association
- Major next steps for fusion energy based on the spherical tokamak design
- INTERNATIONAL TOKAMAK RESEARCH
- When you wish upon a star: nuclear fusion and the promise of a brighter tomorrow
- 台湾杰出女科学家系列专访，持续更新中！
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