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國際原子能總署世界核融合展望 IAEA World Fusion Outlook
2023/10
IAEA
https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/FusionOutlook2023_web.pdf
由於全球對於氣候變遷與能源安全的高度關注,加上核融合技術的突破性發展,各國除了將核融合納入國家策略目標外,私部門的投資興趣也提高。據國際原子能總署(International Atomic Energy Agency, IAEA)2023年首次發布的世界核融合展望報告統計,全球已有43家投資公司投資62億美元於核融合技術發展。
此外,根據核融合產業協會(Fusion Industry Association)於2023年全球核融合能源報告中,針對43家私營核融合公司進行的調查,這些公司絕大多數(77%)專注在能源生產並基於氘-氚(deuterium-tritium, D-T)燃料(65%),43家公司有2/3是新創公司或2018年後成立的公司,亦突顯私人投資者對於核融合相關題材的興趣升高,因而驅動新創企業的成長。

一、主要國家核融合發展概況
(一)美國
2022年12月美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Lawrence Livermore National Laboratory的國家點火設施(National Ignition Facility, NIF)首次達成可控制的核融合實驗,以192束雷射(約2.05兆焦耳)產生高達1.5倍的能量增益。2023年7月再次實現核融合試驗,預估能量淨輸出將高於首次實驗。

(二)英國
2021年5月英國原子管理局(United Kingdom Atomic Energy Authority, UKAEA)的兆安培球型托卡馬克-升級版(Mega Amp Spherical Tokamak-Upgrade, MAST-U),成功展示可減少十倍熱通量的創新熱排氣系統Super-X分流器。

(三)德國
2021年德國新型核融合反應爐Wendelstein 7-X (W7-X),為全球最大的仿星器(stellarator)設計,已進入第二階段試驗,2023年成功連續8分鐘輸出1.3千兆焦耳(GJ)的新紀錄,並促進新創公司(Proxima Fusion)獲得融資。

(四)歐洲
2021年12月,歐洲聯合環狀反應爐(Joint European Torus, JET)使用氘氚燃料,在5秒脈衝間產生59兆焦耳能量,創下最高持續能量的記錄。

(五)中國
2021年12月,中國先進實驗超導托卡馬克實驗裝置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)實現最長時間的高溫電漿穩態運轉(1056秒)。

二、核融合技術面臨的挑戰:
目前核融合面臨的技術挑戰如下:
(一)電漿加熱:溫度要超過並維持攝氏一億多度。
(二)電漿約束:將熱融合電漿拘限在反應爐核心內。
(三)核融合材料:尋找能承受反應爐極端溫度的材料。
(四)核融合燃料:開發利用反應中釋放的中子來形成核融合燃料-氚的技術。
(五)能源萃取:穩定萃取能源並轉化為電力或作為製程所需熱能。
(六)設備維運:核融合發電廠必須要有先進、快速的維護方式,如遠端處理。

除了技術面的挑戰以外,更重要的是如何確保核能的和平用途,因此核能相關的安全、安保、維安與究責問題就顯得格外重要,亟待有效的法律框架有效控管風險,以保障人員、財產與環境的安全。核能相關法律在過去數十年來已發展出國際核電法律架構,已建立安全、幅射防護、廢棄物管理、損害的民事責任等基本原則,每個國家都對核安都負有完全責任,但是對於材料、設施與廢棄物的定義以及監管範圍仍有改善空間,有待更明確的公約。
不過現有相關國際法律文件對於核融合的技術與設施並不完全適用,特別是核融合系統中核損害民事賠償責任的問題未能釐清,只能以一般侵權法來解決。此外,設計時不使用或不含核材料的融合系統並不在目前約定範圍之內。因而,核融合或許提供一個機會,能整合目前核分裂相關法律框架,再根據核融合的特性與風險加以客製化修訂,共同訂定國際通用的法規監管架構,以確保公眾的安全無虞與信任,才能將技術推往商業化應用。其他還須要納入考量的還包括建設工程必須遵循法規框架、遠端維護對於能源生產停機時間的影響、人力資源與知識開發暨轉移、公眾認知教育與宣導等。

三、核融合的發展路徑
全球已有50餘國進行核融合與電漿物理的研究,融合反應也已實驗成功,但目前尚未能產生可應用的能量,專家雖已提出各種設計與磁性機器,包括仿星器與托卡馬克等,但其他依賴雷射、線性裝置與先進燃料的方法也仍在考慮之中。原子能總署IAEA的融合裝置資訊系統(Fusion Device Information System, FusDIS)提供超過140個公、私立融合裝置的資訊,揭露目前開發的核融合路徑、約束方式、操作模式、配置、燃料、主要資金來源。惟目前核融合研究仍以公立機構為主,距離成功應用還取決於產業發展的速度、技術驗證與合規管理,同時建立必要的核子基礎設施,包括相關要求、標準與良好操作規範等。
近年來核融合相關的公、私研究計畫、投資、公眾意識、利害關係人的支持等,顯示全球對相關議題的興趣激增。全球最大的國際核融合實驗設施是位在法國的國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER),旨在展示核融合的科學研究與核融合能源生產的技術可行性,並作為各國核融合的示範電廠。參與ITER的成員包括中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國。除ITER以外,國際重要的融合計畫包括:
1. 加拿大:General Fusion公司正開發磁化定位核融合技術的核融合示範工廠(Fusion Demonstration Plant, FDP),規模約為商業試驗電廠的七成大小,但僅作為試驗不提供電力,預計2026年投入使用,2027年開始正式營運。
2. 中國:中國核融合工程實驗反應爐(China Fusion Engineering Test Reactor, CFETR)以傳統托卡馬克設計的示範概念,在2015年完成設計,預計2040年完成建設,目的在縮短ITER與未來核融合電廠的差距,預計將可實現30倍的融合能量增益比。
3. 歐盟:透過EUROfusion計畫實現2018年發佈的核能發展路徑圖,並設定2050年在EU-DEMO計畫中展示核融合發電目標的里程碑。EU-DEMO目前仍在概念設計階段,預計2050年開始營運,將可產生500兆瓦的淨電力,並驗證氚燃料循環供應的可行性。
4. 日本:JA-DEMO計畫以傳統托卡馬克設計,預計2050年完成建設,目標在展示17.5倍的能量增益、氚燃料循環供應,以及核融合電廠運轉的可行性。
5. 英國:球型托卡馬克設計的概念設計,預計2040年完成,可提高磁場效率並降低工廠成本,但是不會成為商業營運工廠,旨在驗證淨能量效益、建立相關供應鏈與技能管道,以於未來培育核合產業。
6. 美國:美國能源部2023年投資八家企業共4,600萬美元,開發核融合示範電廠。其中Commonwealth Fusion Systems公司揭露21億美元的核融合資金,幾乎相當於其他私人公司的總和,預計將於2025年投入營運,並產生淨能量增益之核融合電廠。
7. 其他:歐洲原子能共同體(Euratom)與日本在2007年簽訂協議加速核融合技術的發展,協議包含3項合作計畫:建構國際聯合融合實驗JT-60SA、國際融合材料放射測試設備(International Fusion Materials Irradiation Facility, IFMIF)的工程驗證與工程設計、國際融合能源研究中心(International Fusion Energy Research Centre, IFERC)。東協電漿與核融合學院與國際原子能總署也合作在泰國建立實驗性質的托卡馬克,作為東協研究人員學習、研究的重要平台。

四、國際原子能總署(IAEA)的角色
IAEA早在1958年就開始支持協調核融合的開發活動,如今已擴展到電漿與融合的研究、發展與展示,解決技術與基礎建設相關問題以及核安與安保相關的法規管理,由內部跨領域協調委員會以一站式的方式進行整合與協調。業務涵蓋:從慣性融合材料變成能源的途徑、核融合應用中小樣本測試技術的標準化、材料中離子引起輻射傷害技術的開發與應用以及融合技術相關的特性研究等。近期人工智慧熱潮也帶動人工智慧在核融合科學的應用,主要有4個任務:以人工智慧或機器學習的即時預測、鑑定與最佳化磁約束融合能源系統的行為,以人工智慧或機器學習的方法透過模擬、學說與實驗來理解融合能源物理學,磁融合能源的可行性與慣性融合能源影像資料庫,社群參與及勞動力發展。
殷正華
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