核能復兴十一部曲：只能维持一秒的核聚变谈什么商转？

　　看完这些技术路线，我们不免又想起每次新闻总是说「核聚变反应技术大突破！」，点进去发现所谓的突破，仍然是发电投入比产出的多，而且都还在秒级里打混，如果不能像核裂变一样，连续24小时不间断发电，就只是自我感觉良好而已。核聚变反应要能达到发电投入比产出的多，最低物理门槛就是劳森准则(Lawson Criterion)。

核聚变发电的门槛

　　劳森准则，是三因子乘积：nTt_E ≥常数

• n：电浆密度
• T：温度
• t_E：约束时间

　　所有核聚变路线基本上都在追求这三因子乘积的最大化，戏法人人会变，各有巧妙不同，如磁约束是在技术及经费可行的密度及温度下，最大化t_E；惯性约束则是全力一击，极大化n及T。

（图一）磁约束技术路线各团队的成绩
资料来源：维基百科

　　图一是传统大型磁约束各团队的成绩，资格赛门票到手后，淨能量增益Q_DT才是晋级考验的开始，也是科学转工程的考验，而真正有商转实力的关键是Q_DT>10，也就是要进入图一右上方的深橘色带里，才有资格拚商转决赛。新闻常在讲集全球之力、坐落在欧洲的ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)显然已到门门，但进展越来越慢、问题越来越多，成了永恆的30年魔咒。

　　至于不在图上的惯性约束技术路线，在2022年底美国NIF淨能量增益首度突破Q_DT>1，但那是不惜血本，等于是拿钞票点火取暖。但NIF的突破，激起了核聚变新创公司纷纷大胆实验更前卫的做法，完全跳出了老辈的游戏规则，尤其在AI的助攻之下，商转可行在望。

核聚变发电如何持续24小时？

　　要达成24小时不间断发电，传统的作法是如核裂变发电的稳态追求，但从过去那么多年核电厂的几百度操作环境，一下子跳到上亿度的电浆，等于从地上的漫步，陡然要在星际间飞行，当然如西天取经般许多难关待克服。但核聚变新创公司不再拘泥于暴力突破的迷思，大量运用创新方式解题，如为了要解宇宙创世纪难题的最尖端粒子加速器相关技术，大幅拿来解核聚变持续发电的问题；应用高温超导现代技术，大幅缩小工程尺寸，简化降低工程系统难度，更有效的全系统主动冷却；先进的耐中子损伤材料与长寿命结构；改变高温电浆稳定机制，破除电浆崩解困境，解开Tokamak死穴；挑战终极圣杯无中子核聚变，不需蒸汽循环，直接产生电流；有些甚至乾脆採跳岛战术，每秒十次以上机关枪式的快速连发核聚变反应，配上超级电容当电能的内存缓冲，也可达成长期稳定的发电输出。

　　这么多新科技用来突破那么多工程难题，其中最重要的一项仗势就是令人瞠目结舌的快速迭代，老辈的科研突破是一步一脚印的滴水穿石功夫，而新世代是破除窠臼的狂飙，如传统软体工程师一行行敲键盘，辛苦地在万千程式码中除虫，但在AI助力下，可能就是秒杀过往经年累月的成果，因为产品迭代已是完全不同境界，如美国国庆的能源部献礼，最后一家达标临界反应的UNITY，从计画开始到成品只花了150天，这还包括了能源部的安全审查。这些核聚变新创公司比起核裂变SMR是有过之而无不及，好些都有粒子加速器的背景及关键人才，AI的应用更不在话下。

如何做到核聚变反应需要的一亿度？不会热死吗？

　　你可能觉得很奇怪，就算是机关枪式的快速连发核聚变反应，一亿度也是很热啊，而且核聚变反应是磁场，磁场跟电的关係是什么呢？

　　三千年前我们的甲骨文就有电这个字，周易说「离为火，为日，为电。」说文解字则说「电，阴阳激燿也。从雨，从申。」讲的是自然界的闪电现象，基本上与现代科学的认知不谋而合，就是雨云中冷热水气垂直剧烈对流运动，造成上下的正负电荷巨量失衡，当云层中电荷累积达到临界点产生巨大的电位差，崩溃发生强烈放电。可惜东方没出现富兰克林，把天上的电与地上的电连起来，几千年来一直停留在敬天畏天的层次，终与电磁学的发展失之交臂。

　　电与磁看似不同，却是师出同源，现代物理已把电磁合而为一，为宇宙的四大基本力：强核力、弱核力、电磁力与重力。电磁力是目前人类能真正纯熟掌握的力，也是当今社会文明的基础。电生磁是安培定律，如电磁铁、超导磁铁等；磁生电的发电是法拉第定律；电磁交互影响是劳仑兹力，如磁场控制电浆，电浆加温、RFC等，这些基本物理观念贯穿了整个核聚变发电系统，註一我们给你整理相关专业的公式。

　　要控制上亿度的电浆，磁场是不可缺的利器，只要能承担很高的电流，就会有磁场，利用的是磁场，不是用电线在传导电。我们来把磁场技术整理如下表：

（表一）各种磁场技术整理
资料来源：王晓中

*最高强度的单位为T(Tesla)，地球磁场约0.5G(Gauss)，1T=10,000G

　　上面说的高温超导是近年深度科技(Deep Tech)领域最具颠复性的突破之一，磁场对电浆的约束力会以强度的四次方剧增，这让核聚变反应炉的体积得以缩小到原来的数十分之一，成本暴跌，直接让核聚变商业化提早了数十年。所谓高温并不是真的很高温，而是相对于低温超导那种接近绝对零度而言比较高温，因为不需要冷却到那么低温，就可以减少大量的用电。过去用传统电磁铁产生4T磁场，需要800 MW的大型核电，改成低温超导只要20 MW的电力，进一步改用高温超导，耗电又再降一个数量级，而且中国大陆已证明磁场强度可达36T。且，原本高温超导材质脆弱，难以铸造成複杂形状，但3D列印的成熟，这难题已迎刃而解。

　　高温超导材料在技术上已经成熟，当前的挑战在于产能不足与成本过高，随着核聚变新创公司集体疯狂扫货，高温超导供应链正在经历如同当年半导体建厂的规模化阶段，当成本因规模化而降下来后，高温超导将会彻底重塑能源科技版图。

　　回到一亿度是不是会热死人的问题。以一般牙医X光，用的是七万伏特的高压电，加速电子获得动能，高速电子撞击钨靶转成X光，电子的动能相当于五亿四千万度，但你去看牙医会觉得热吗？

　　既然核聚变达到一亿度不是什么难事，发电的门槛也达到了，下一篇，我们接着来谈核聚变是怎么发电的。

（註一）核聚变发电相关的公式：

电生磁：电流产生磁场（安培定律的微分式）

∇→ × B→ = μ₀J→

∇→ = 旋度（微分算符） = ∂∂xi+ ∂∂yj+ ∂∂zk

B→ = 磁场（感应）强度 [T]
μ₀ = 真空磁导率 = 4π×10⁻⁷ H/m
J→ = 电流密度 [A/m²]

电流像「河流」，磁场像「漩涡」，河流越大，漩涡越强。电磁铁、超导磁场或核聚变反应中的磁场都是这原理。

磁生电：磁场变化产生电场（法拉第定律），迴路中的感应电压，等于穿过该迴路的磁通量变化率的负值

E = − dΦ_Bdt

E = 感应电压 [V]
Φ_B = ∫ B→ · dA→ = 磁通量 [T.m²]
B = 磁场强度 [T]

磁通量如果相对「动」或「变」，就会产生电压推动电子流动 ，磁通量所积分的面积是指线圈迴路框起来的部分。

当磁场固定，线圈转动，便可产生正负交替的正弦电流，这就是交流电发电机。直流电则是加个换向器，在每半圈把线圈接线翻面， 输出端永远保持同极性， 变成单向直流。真正电厂大型发电机的磁铁是电磁铁（请见下表），因为强度高可调控，所以发电机用到电生磁及磁生电原理。

磁压力(Magnetic Pressure)

p_B = B²2μ₀

其中磁压力方向与磁力线垂直，单位是Pascal (Pa)或 N/m²。磁场越强压力越大，磁压差会造成材料变形。

磁张力(Magnetic Tension)

f_t = B²μ₀R_c

其中R_c是磁力线曲率半径(m)，磁张力与磁力线同向，单位是Pa，弯曲的磁力线如弹性绳拉回，是磁胀感应转换中「弹性回復力」的重要来源，也是Tokamak、FRC 约束电浆的主要内缩力。