核融合發電：從環形捏縮到托卡馬克
本文探討核融合的概念及其成為下一代電力來源的背景，以及實現核融合發電商業化所需達成的技術目標。從環形捏縮（toroidal pinch）到ITER，本文概述了核融合發電技術的演變歷程。這是作者高中二年級時為校內科學社團活動所撰寫的文章，與其他文章不同，採用口語化的寫作風格，但為了存檔目的，原文內容保持不變。
什麼是核融合？
核融合是指兩個原子核碰撞並融合成一個較重原子核的反應。基本上，原子核因內部的質子而帶正電，所以當兩個原子核相互接近時，會因電荷相斥力而互相排斥。但是，如果將原子核加熱到超高溫，原子核的動能就能克服電荷排斥力，使兩個原子核相互碰撞。一旦兩個原子核足夠接近，強核力就會發揮作用，使它們結合成一個原子核。
1920年代末，當人們發現恆星的能量來源是核融合，並能夠從物理學角度解釋核融合時，關於如何利用核融合造福人類的討論就開始了。第二次世界大戰結束不久，控制和利用核融合能量的想法就被認真考慮，研究工作在英國的利物浦大學、牛津大學和倫敦大學等地展開。
損益平衡點和點火條件
核融合發電面臨的最基本問題之一是核融合反應產生的能量必須大於初始投入的能量。在DT反應中，會產生α粒子和中子，其中20%的核融合釋放能量由α粒子攜帶，80%由中子攜帶。α粒子的能量用於加熱等離子體，而中子的能量則轉換為電能。起初，需要外部能量來提高等離子體溫度，但當核融合反應率足夠高時，僅靠α粒子的能量就能維持等離子體加熱，使核融合反應自行維持。這個時點稱為點火，在10~20keV（約1億~2億K）的溫度範圍內，當$nT\tau_{E} > 3 \times 10^{21} m^{-3} keVs$，即$\text{等離子體壓力}(P) \times \text{能量約束時間}(\tau_{E}) > 5$時，就會發生點火。
環形捏縮（toroidal pinch）
1946年，彼得·托爾曼（Peter Thonemann）在牛津大學克拉倫登實驗室進行了利用捏縮效應（pinch effect）將等離子體約束在環形容器中的研究。
如圖所示，當電流流過等離子體時，會在周圍形成環繞電流方向的磁場。電流和磁場之間的相互作用會產生向內的力。理論上，如果電流足夠大，捏縮效應可以防止等離子體接觸容器壁。然而，實驗結果表明這種方法非常不穩定，因此目前幾乎不再研究。
星狀器（stellarator）
1950年代初，普林斯頓大學的天體物理學家萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）發明了一種新的等離子體約束裝置，並將其命名為星狀器。與環形捏縮中等離子體本身的電流產生磁場不同，星狀器的磁場完全由外部線圈產生。星狀器能夠長時間穩定地維持等離子體，這一優勢使其至今仍被認為有潛力應用於實際的核融合發電廠，研究工作仍在積極進行中。
托卡馬克（tokamak, toroidalnaya karmera magnitnaya katushka）
到了1960年代，核融合研究進入了低潮期。就在這時，莫斯科的庫爾恰托夫研究所首次設計出托卡馬克，為研究帶來了突破。1968年的一次學術會議上，托卡馬克的成果公布後，大多數國家都將研究方向轉向了托卡馬克，使其成為目前最有前景的磁場約束方式。托卡馬克不僅能長時間維持等離子體，而且結構比星狀器簡單得多。
大型托卡馬克裝置和ITER計劃
1970年代以後，為了更接近實際的核融合發電，建造了一些大型托卡馬克裝置，其中最具代表性的是歐洲聯盟的JET、美國普林斯頓的TFTR和日本的JT-60U。基於小型實驗裝置獲得的數據，這些大型托卡馬克持續進行提高輸出功率的研究，結果幾乎達到了損益平衡點。目前，為了最終驗證核融合發電的可行性，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國正在合作進行人類最大的國際聯合項目——ITER計劃。
參考資料
- Khatri, G.. (2010). Toroidal Equilibrium Feedback Control at EXTRAP T2R.
- Garry McCracken and Peter Stott, Fusion: The Energy of the Universe, Elsevier (2005)