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薛偉傑：「夢幻清潔能源」核聚變發電 10年後能商用？
【明報專訊】由於要達到碳中和以及控制全球氣溫升幅等目標，過去數十年一直只聞樓梯響的「夢幻清潔能源」核聚變發電，再度讓人寄予厚望及憧憬。
去年12月1日，專門研究核聚變發電的美國初創公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）宣布，已經完成超過18億美元的B輪融資，投資者包括微軟（美：MS）創辦人蓋茨（Bill Gates）、Google、新加坡主權基金淡馬錫（Temasek）、麻省理工學院（MIT）旗下科技孵化器The Engine以及多家私募股權公司。
CFS表示，這筆融資將用於着手建設、調試及營運一個示範性的可控核聚變發電裝置SPARC。這台SPARC將設於美國麻省德文斯市（Devens）一個面積47英畝的園地，預計在2025年就可以建成。
獲18億美元融資 稱2025年建成示範裝置
不過，雖然SPARC可以輸出淨能量，但它仍然是一個示範項目，只是用來驗證核聚變發電的技術和商業可行性。
CFS第一間商業化運作的核聚變發電廠稱為ARC，它預計要到2030年代初才能建成。但事實上，這個目標已比大多數科學家預測的20年至30年後早得多。內地科學家就普遍預期，要到2050年，內地才可以基本實現可控核聚變發電的商業化。
關於SPARC和ARC的具體設計，CFS未有透露詳情。但CFS強調，公司與麻省理工學院合作，利用後者過去數十年的研究成果，結合嶄新的高溫超導磁鐵技術，可以令核聚變發電裝置的體積緊湊得多、建造時間較短以及成本較低。
究竟核聚變發電為何這麼困難，以致世界各國過去不斷跳票？這要由基本原理說起。
核聚變是指兩個質量較小的原子，在極高溫的情形下互相碰撞，繼而結合成一個質量較重的原子。當中最常用的，就是讓氫的同位素氘和氚的原子結合，來產生氦的同位素的原子。
這種反應之所以要在極高溫的情形下進行，是因為兩個原子的原子核都帶有正電荷，兩者會互相排斥，必須倚靠外部施加巨大的能量，才能夠令兩者結合。
與目前核能發電採用的核裂變技術相比，核聚變不但不會如核裂變般產生長期和高水平的核輻射和核廢料，不會污染環境，而且產生的能量更大。有估計稱，若發電功率同樣是100萬千瓦，燃煤發電廠每年要消耗210萬噸煤；核裂變發電廠每年要消耗30噸核燃料；而核聚變發電廠每年就只消耗600公斤的核燃料。
核聚變反應堆極高溫 靠超強磁場控制
可是，核聚變反應堆的核心溫度高達1.5億度，在這樣的高溫下，任何容器都會灰飛煙滅。於是，如何將那些參與反應的超高溫等離子體安全地隔開，避免它們接觸容器的內壁，就成為可控核聚變的一大難題。
不得不承認，前蘇聯科學家確實「有料到」。他們早在1950年代初就想出，利用極強的磁場來作為分隔手段。這就是「托卡馬克」（Tokamak）。
「托卡馬克」是一種環形裝置，它通過約束電磁波來驅動，倚靠環形線圈產生的強磁場，將超高溫的等離子狀態的核聚變物質約束在環形容器中間（避免它們接觸容器的內壁），以此來實現核聚變反應的控制。「托卡馬克」最初是由前蘇聯莫斯科庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在1954年發明。直至現時，世界各國的可控核聚變裝置，普遍仍是遵從「托卡馬克」的基本設計。
可是，要維持強大磁場所消耗的能量，往往已超過了核聚變反應所輸出的能量。這就是核聚變發電遲遲無法商業化的其中一個主因。
因此，由20多年前起，各國嘗試使用超導材料來產生強磁場，以減低消耗的電力，希望令可控核聚變裝置能夠輸出淨能量。但至今，也只有個別示範裝置做到這個效果，而且輸出的淨能量也微不足道。
據報道，CFS的突破之處，是它發明了一種新超導材料——一種塗有釔鋇銅氧的鋼材料。這種材料可以在較低能耗下維持超強磁場。因此，公司有信心在2025年建成可以輸出淨能量的示範性可控核聚變發電裝置SPARC。
筆者認為，觀乎麻省理工願意與CFS合作，相信CSF聲稱的突破性超導材料不至於完全造假。然而，部分科學家對於未來技術進步的幅度，確實估計得太過樂觀，星際旅行、移民和開發如是，核聚變發電恐怕亦如是。
以CFS宣稱的進度，2025年就要建成SPARC，最多就只有4年時間（由2021年12月至2025年12月）；之後又要在2030年代初建成第一間商業化運作的核聚變發電廠ARC，相隔只有大約5至7年。單看這兩個時間，就算是興建一般核裂變發電廠，也有些緊張，更何况是複雜得多的核聚變發電廠？
此外，18億美元並不足夠完成SPARC和ARC。即使未來再融資沒有問題，在建成SPARC之後，CFS也可能需要一些時間來總結經驗，對其設計方案作出改良，才可以開工建設ARC吧？