核融合「再等20年」喊了70年，這次會不一樣嗎？

本文由英文原文機器翻譯而成。

最後更新：2026年11月2日 · 閱讀時間約15分鐘

2022年12月5日，加州利佛摩國家點火設施（NIF）的科學家朝一顆胡椒粒大小的靶發射了192道雷射光束。這次核融合反應以2.05百萬焦耳的雷射光，產生了3.15百萬焦耳的能量，比值約1.54。美國能源部稱之為歷史性的里程碑。

有一個數字出現在技術紀錄裡，卻沒有登上多數頭條：為了發射這些雷射，設施從電網汲取了大約300至400百萬焦耳的電力，相對之下，輸出的核融合能量是3.15百萬焦耳。這次採用的科學Q值，是以核融合輸出能量除以送達靶上的雷射能量，這是慣性約束研究的標準做法；NIF建造的目的是證明點火可行，以這個標準衡量，它做到了。

這兩個數字，一個登上了頭條，另一個是發電廠必須跨越的門檻；兩者之間的距離，相當公允地說明了核融合與電網之間還隔著什麼。

物理學的要求

D-T（氘氚）反應簡單到一行就寫得完：一個氘原子核和一個氚原子核在極高溫下相撞、融合，釋出一個帶有3.5百萬電子伏特能量的氦-4原子核，外加一個帶有14.1MeV的中子。這兩種產物的命運截然不同。

α粒子（也就是氦-4原子核）留在電漿裡，把能量沉積在那裡，不需外部輸入就能進一步加熱電漿。這就是α粒子自加熱，正是這個機制讓自我維持的點火成為可能。NIF在2022年1月發表的實驗中首度達到「燃燒電漿」，也就是主要靠自身α粒子加熱的電漿；2022年12月那次發射更進一步，成為第一個釋出能量超過驅動雷射光的受控核融合實驗。中子則帶著反應能量的80%朝相反方向而去：穿出包圍電漿的一切，進入結構材料，而核融合的工程難題大多正是從這裡開始。

要讓反應發生，電漿溫度必須達到攝氏約1億至1.5億度，大約是太陽核心溫度的10倍。太陽靠重力產生的壓力融合氫，那股壓力大到粒子在相對溫和的溫度下就能融合；地球上沒有這種壓力，機器只能靠高得多的溫度彌補大部分差距。於是工程師得把這麼熱的電漿關在一台機器裡，而機器的器壁不能碰到它。

物理學家勞森（John Lawson）在1957年提出的勞森判據，把「同時成功」這件事形式化。以現代的三乘積形式來說，D-T核融合要點火，電漿密度、溫度與能量約束時間三者的乘積必須超過約3 × 10²¹ keV·s/m³。三者必須同時成立。一次壓力擾動、一次磁場破裂或不規則的幾何形狀，都可能連鎖引發失敗。光是達到溫度還遠遠不夠；在溫度達到峰值的那一刻，密度和約束時間也必須到位。

Q看似簡單，直到你追問什麼才算投入的能量。採用不同定義，同一場實驗的Q值可以相差一百倍以上。以送達靶上的雷射能量來算，2022年12月那次發射是增益；以驅動雷射的電力來算，它換回的大約是投入的百分之一。這種選擇並非不誠實，因為不同的Q值回答的是不同的科學問題，但它留下了很大的空間，讓公眾聽到的故事與工程現實漸行漸遠。

D-T核融合需要什麼樣的物理條件，自勞森發表以來就已釐清。花了70年的，是造出一台機器，能把這些條件維持得夠久、能撐過這些條件，而且價格有競爭力。

Q值的幾種算法

雷射對靶Q值只計算送達靶上的雷射能量。這個靶是一個小金屬圓筒，會把雷射光轉成X光，X光再壓縮裡面的燃料膠囊。2022年12月5日：輸入2.05MJ，輸出3.15MJ，Q ≈ 1.54。對外公布的就是這個Q值。

驅動器Q值把雷射將電力轉換成光的效率也算進去：NIF的轉換效率遠低於1%，因為這座設施本來就不是為了效率而設計的。同一次發射：Q ≈ 0.01。

插座Q值以產生的核融合能量，對比設施消耗的全部電力。NIF這次發射從電網汲取約300–400MJ，所以照這個算法，2022年12月那次成果的插座Q值同樣約為0.01。

商業發電需要的插座Q值，必須高到在扣除所有損耗後，足以支付渦輪機、熱交換器、氚增殖包層、中子屏蔽和電廠營運開銷，還要剩下充裕的電力可以出售。至今沒有任何類型的核融合裝置，插座Q值達到1。

為什麼期限一再往後推

Lev Artsimovich是蘇聯物理學家，整個1960年代都主導托卡馬克計畫，其設計思路影響了此後半個世紀的核融合研究。Artsimovich說：「社會需要核融合的時候，它就會準備好。」這句話常被當成哲學式的耐心來引用，是面對難題時的長遠眼光。它也描述了核融合一直以來獲得資助的方式。

沒有迫切需求，就沒有人逼著期限非守住不可。核融合一直是以大科學的方式獲得資助：國際協議、長達數十年的承諾，時程則訂在看似可行的邊緣，而這道邊緣始終在移動。

公共研究計畫的成績，看的是下一個科學成果，例如新的增益數字或約束紀錄，誘因也就指向那裡。發電廠需要的工程，像是能承受多年中子轟擊的增殖包層與器壁材料，進展較慢，也更難爭取經費。

ITER是這種模式最清楚的紀錄。它在1985年提出，2006年以國際協議正式確立，啟動時的建造預算約50億歐元。2010年在法國卡達拉舍（Cadarache）動工，2016年的時程把首次電漿訂在2025年。這個日期沒能守住：疫情期間的供應鏈中斷與製造缺陷接連累積，包括真空容器熱屏蔽的冷卻管出現裂縫；2022年，法國核安監管機構ASN不准ITER把第一批真空容器扇區焊接起來，要它先回答關於承重基礎底板、輻射屏蔽和焊接程序本身的疑問。2024年7月，ITER宣布新的基準計畫：2034年展開研究運轉，2039年進入完整的D-T運轉，比先前2035年的目標晚了4年，另外還要追加約50億歐元，而預算早已膨脹到約200億歐元。

ITER幾乎不可能取消。30多個國家投入的政治與財務承諾太深了。時程一延誤，延期就是唯一可用的工具。這件事不需要任何人心懷不軌；一個無法取消的計畫，每遇到一個新困難，就把日期再往後延一次。

NIF證明這種模式並非ITER獨有。美國能源部1995年的基準計畫，估計這項建造工程約需11億美元，2002年完工。到了2000年8月，美國會計總署（GAO）已經發現，能源部和實驗室的管理人員缺乏執行如此規模計畫的經驗，而實驗室內部記錄到的問題要花好幾個月才會傳到能源部總部。這座設施在2009年3月才認證完工，晚了7年。包括研發與試運轉在內，總成本約35億美元，而1995年的計畫把配套研究算進去，約為21億美元。

NIF的審計人員確實發現了管理上的缺失。不過，這兩個計畫分屬不同年代、不同大陸，卻走上同一種模式，這意味著兩個計畫的架構方式，和主事者一樣關鍵。

三個仍未解決的問題

撇開機構與誘因不談，決定核融合何時到來的三大工程問題是：氚的供應、材料劣化，以及插座Q值。至今沒有任何計畫解決其中任何一個，而且沒有一個是光靠砸錢就能解決的。

第一個是氚。D-T核融合需要氚，這是一種具放射性的氫同位素，半衰期12.3年，自然界中的含量微乎其微。全世界的民用庫存大約在25至30公斤的量級，幾乎全部來自CANDU重水核分裂反應爐，主要在加拿大，南韓的貢獻較少；氚在這些反應爐中作為副產品累積，再被提取出來。羅馬尼亞的切爾納沃德（Cernavoda）反應爐也會產生氚，該國正在興建歐洲第一座提取廠，預計在這十年稍晚加入供應行列。能留給核融合的恐怕不多：CANDU機組正在老化，加拿大較舊的機組已開始關閉，其他機組則停機多年進行翻新；在某些情境下，到了2050年代，幾乎沒有氚剩下來給示範電廠用。庫存本身預計在2030年之前達到高峰。光是ITER，一旦開始D-T運轉，預計每年就要燒掉將近1公斤。商業電廠則完全是另一個量級：一座輸出1吉瓦電力的反應爐，每年要燒掉約160公斤的氚，而每一克都得自己增殖出來。

提出的解方是氚增殖：包圍反應爐的鋰包層吸收D-T中子，透過Li-6 + n → He-4 + T產生新的氚。包層產生的氚必須多於電廠燒掉的量，還要留下應付損耗與衰變的餘裕，而這個餘裕依設計不同，可能只有百分之幾。何況氚增殖從未在核融合裝置中做過規模化測試。鋰包層從未在接近商業核融合條件的中子環境中運轉過。每一座提出的商業D-T電廠，都假設了一個尚未經過驗證的過程。

第二個問題是材料。D-T核融合產生的14.1MeV中子，會把結構材料晶格中的原子撞離原位，造成脆化；會使元素發生核轉變（一個鎢原子可能變成錸或鋨，機械性質完全改變）；還會把氚打進器壁本身。鎢是面向電漿的第一壁的首選候選材料：熔點約攝氏3,400度，氫滲透率低，濺射率相對較低。但沒有人在商業核融合等級的中子通量下測試過鎢或任何其他候選材料，因為能做這種測試的設施還不存在。

IFMIF-DONES是正在西班牙格拉納達興建的國際核融合材料照射設施，目的就是填補這個缺口。它的建設計畫在2023年正式啟動，主要場址工程預定2026年夏天開工，預計約在2034年投入運轉；此後，材料認證還需要多年的資料蒐集。即使SPARC在2027年展示了電漿Q > 1，下一代裝置，也就是用來供應商業電力的那一台，在設計上也無法建立在完全通過認證的材料上，因為認證所需的資料要到2030年代中期才會開始出現，不論資金多充裕都一樣。

第三個問題是插座Q值。歐洲聯合環狀反應爐（JET）保持著托卡馬克的Q值紀錄：約0.67，創於1997年。沒有任何磁約束裝置達到Q = 1。NIF的1.54是按雷射對靶的定義計算。2025年4月，NIF把雷射對靶增益推高到4.13，但即使是那次發射，產生的核融合能量也只有設施耗電的百分之幾。要從以百分之幾計的插座Q值，爬升到還能支付渦輪機、增殖包層、屏蔽與活化管理的水準，本身就是一項獨立的工程計畫。

而且目標還在移動。2024年，公用事業規模太陽能的全球平均成本約為每百萬瓦時43美元；陸域風電平均約34美元。兩者的成本自2010年以來都大幅下降，電池儲能也是。核融合在2040年代必須跨越的經濟門檻，不會停在今天的數字。一項要到2045年才能產出商業電力的技術，面對的將是多了20年時間降低成本的能源系統。這並不代表核融合出局，但它的經濟可行性必須當成一個仍在變動、尚無定論的問題來看待，而不能視為理所當然。

私人資本改變了什麼

支持私人核融合的論點有一部分站得住腳，Commonwealth Fusion Systems（CFS）的磁鐵研發就是最清楚的例子。2021年9月，CFS展示了一個高溫超導環向場線圈原型，以REBCO（稀土鋇銅氧化物）帶材繞製而成，維持了20特斯拉的磁場。此後CFS已推進到為SPARC製造量產規模的磁鐵；2025年9月，美國能源部的一個審查小組依該部的「里程碑式核融合發展計畫」，確認CFS完成了這個里程碑。

物理意義在於比例關係。在托卡馬克中，磁鐵能約束的電漿壓力與B²成正比，核融合功率密度則大約與B⁴成正比。麻省理工學院（MIT）與CFS估計，一個20特斯拉的磁鐵所能達到的效能，相當於體積約為其40倍的傳統低溫超導裝置。機器越小，造得越快也越便宜，私人團隊就負擔得起；實驗越便宜，學習循環也越快。

誘因也不一樣。私人資本要求里程碑，錯過就要付出代價；在截至2026年7月的12個月裡，核融合公司募得了創紀錄的45億美元私人資本。2023年，Helion Energy與微軟簽下第一份商業核融合購電協議，承諾在2028年前供應商業電力，並訂有未能履約時的財務罰則條款。CFS已募得約40億美元，目標是在2027年讓SPARC產生首次電漿並達到Q > 1。TAE Technologies在2025年12月同意與川普媒體與科技集團以全股票方式合併，交易估值超過60億美元，預計在2026年底完成。這些公司都無法像ITER那樣拉長時程；錯過太多里程碑，錢就會用完。

資金已開始流向約束之後的下游問題。2026年7月，CFS成為LIBRTI的第一個國際合作夥伴；LIBRTI是英國政府的計畫，正在卡勒姆（Culham）興建一座設施，用來展示增殖包層能淨產出氚，CFS將為其首批實驗製造測試件。在田納西州，Kyoto Fusioneering與橡樹嶺國家實驗室正在興建UNITY-3，這是一座由聯邦政府出資的包層測試設施，配有自己的D-T中子源。兩者都還沒有產出任何成果。私人資本加快了電漿約束的研究，也證明了小型、快速迭代的機器是造得出來的。在增殖與材料方面，私人資本付得起測試費用，但每一項仍需要特定的展示，不論背後有多少錢，都得花時間。

各家公司的實際情況

CFS的SPARC是一座托卡馬克，而托卡馬克物理是這個領域裡了解最透徹的約束物理，背後有60年的實驗資料。SPARC仍須證明它的燃燒電漿表現符合預測，但更大的問題在於，20特斯拉的磁鐵和緊湊的幾何結構，能否以商業上可行的形式做到這一點。2025年12月，CFS把SPARC的18個環向場磁鐵中的第一個送到SPARC設施，2026年上半年開始安裝進托卡馬克；公司目前的目標是在2027年產生首次電漿並展示Q > 1。若能達成，它將是第一個超越JET 1997年紀錄的磁約束裝置。

即便如此，SPARC也不會是一座發電廠。從SPARC到ARC（CFS提出的商業托卡馬克）的路上，橫亙著未經測試的氚增殖包層、在IFMIF-DONES產出資料之前無法完全認證的第一壁材料，以及從電漿Q值跳到足以支撐電廠運轉的插座Q值。CFS計畫在維吉尼亞州里奇蒙附近興建ARC，這是一座400百萬瓦的電廠，目標是在2030年代初期運轉。這個時程幾乎容不下上述任何一步延誤。CFS並未宣稱已解決氚或材料問題。它的風險大多在工程上，問題雖然困難，但都是已知的。

Helion Energy則是另一回事。它的裝置採用場反轉組態（FRC），這是一種緊湊環，沒有托卡馬克那種甜甜圈形狀，長期目標是氘與氦-3核融合。這種燃料釋出的中子遠少於D-T，雖然氘核之間的副反應仍會產生一些中子，但可望大幅減輕材料問題。在這條路上，Helion也轉向了D-T：公司表示，2026年初，它的Polaris原型機成為第一台展示可測量D-T核融合的私人建造機器，電漿溫度超過攝氏1.5億度。根據與微軟的購電協議，Helion要在2028年前啟動一座電廠，並在一年內提升到50MW以上；2025年7月，Helion在華盛頓州馬拉加為其示範電廠Orion動土。一個連實驗室規模的淨電力都還沒展示過的核融合概念，要在2028年前產出商業電力，需要接連完成好幾項技術躍進，其中有些屬於物理而非工程上的躍進。加州大學聖地牙哥分校的核融合工程教授Mike Campbell對這個日期存疑：「我祝他們順利，但如果他們真能在那之前做到，我會很驚喜。」

FRC約束遠不如托卡馬克約束成熟。托卡馬克擁有60年詳細的實驗資料，以及根據許多機器的結果擬合出來、在裝置規模擴大後依然成立的經驗約束縮放定律；在電廠所需的規模上，FRC兩者皆無，它在那種規模下的穩定性也尚未完全了解。如果這條路走得通，Helion的緊湊性和最終的低中子運轉，確實是結構上的優勢。如果機器變大後電漿無法保持穩定，投資人的壓力也改變不了這一點；而資料這麼少，這種可能性依然存在。

TAE Technologies是私人公司中風險最高的賭注。它的最終目標是質子與硼核融合（p-B11），其主反應產生3個氦-4原子核，不產生中子。副反應仍會釋出少量中子，所以這種燃料能消除氚的問題，大幅減輕材料問題，但無法讓它徹底消失。這裡懸而未決的是電漿物理本身：p-B11需要攝氏約30億度的溫度，而D-T是1.5億度，那種溫度下的電漿物理還沒有在實驗室規模上得到展示。2025年，TAE成為第一個只用中性粒子束注入就形成場反轉組態電漿的團隊，這是研究人員追求了數十年的里程碑。它的路線圖包括一台名為Copernicus的淨能量裝置，以及一座名為Da Vinci、預計在2030年代初期啟用的商業電廠。投資人包括Google和雪佛龍（Chevron），TAE目前公布的累計募資超過16億美元，與川普媒體的合併則尚未完成。

如果TAE的賭注成功，氚的問題會消失，材料問題也會縮小。在那之前，它的路線圖和Helion一樣，必須證明FRC電漿在電廠所需的規模下不會潰散。2025年的中性粒子束成果是這條路上早期的一步，淨能量裝置還遠在後頭。

哪些事必須成真

2050年前要有商業核融合電力，需要一連串步驟。企業可以同時推進其中幾項，但風險更高；大多數步驟都仰賴前一步的成果。

首先，必須有人以持續、可重複的方式展示電漿Q > 1：約束要維持得夠久、溫度夠高，能可靠地產生淨核融合能量，而不只是單次發射。SPARC的2027年目標是近期最可信的候選。如果成功，這一項可以在2020年代後期打勾。

接著，氚增殖必須在真正的核融合中子環境中得到展示：在一台達到商業規模中子通量的裝置裡，用鋰包層產生比電廠燒掉更多的氚，還要綽綽有餘。目前還沒有這樣的展示。ITER的設計包括一項增殖測試計畫，但ITER要到2039年才會進入D-T運轉。打算在那之前商業運轉的私人公司，正轉向英國和美國新建的包層測試設施，而這些設施都還沒有發表成果。電廠可以同步設計，但在增殖成功之前，它的燃料供應始終只是一個假設。

IFMIF-DONES或同等的設施，必須產出能承受商業中子通量、並通過認證的材料。設施一開始運轉，接下來就是多年的資料蒐集。走這條路，最快也要到2030年代後期才能完成全面認證；任何更早啟動的電廠，都只能使用部分認證的材料，本身也成為測試的一部分。資金無法縮短這段時間：讓材料通過認證所需的中子轟擊，該花多久就得花多久，資料必須在真實的中子環境中即時累積，沒有任何計算上的捷徑。

最後，一座示範電廠必須發電，並運轉得夠久，以驗證整個系統：在運轉中的反應爐裡增殖氚、活化管理、屏蔽，以及穩穩高於1的插座Q值。正是這一步，把科學里程碑轉化為能源技術。CFS的目標是在2030年代初期讓ARC運轉，這會讓它在IFMIF-DONES完成材料認證之前就併入電網。這個時程能否守住，還是會再延誤十年，取決於前面幾步的進展。

這些步驟沒有一項在物理上不可能。它們大致必須依序完成，而私人資本對第一步的影響力最大。

接下來的期限

Artsimovich說過，社會需要核融合的時候，它就會準備好。私人投資人沒有這句話所預設的那種耐心。在麻州德文斯和華盛頓州馬拉加，這些公司按照附帶罰則條款的時程運作，投資人也不會無限期等下去。那套把困難轉化為延期的制度架構，也就是ITER模式，已不再是唯一的模式。

「核融合還要再等20年」這個笑話，自1950年代以來每個十年都有人講。接下來這十年，它將撞上有明確日期、可以查核的期限。到了2030年代中期，SPARC是否已在磁約束裝置中展示Q > 1、IFMIF-DONES是否正在產出材料認證資料，都將見分曉。Helion要嘛已經向微軟供電，要嘛就錯過了一個具合約約束力、附帶財務罰則的期限。

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圖片與媒體來源

真空中約束著1億度的電漿。這是從內部看真空容器的景象。超導線圈配置在扭曲的真空容器壁另一側，線圈產生的強磁場讓電漿懸浮起來，使其不會接觸到器壁。- Wikipedia

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