2021年聯合國氣候變化大會（COP26）下周將於蘇格蘭格拉斯哥展開，舉行前夕國際原子能機構（IAEA）發表報告，重申各國必須考慮核能。一直被戲稱為「永遠還要三十年」的核融合（nuclear fusion）技術，近月來在一些實驗中取得進展，也開始得到私人投資者青睞，將來是否有望走進主流？

各國政商及社會領袖即將在10月31日至11月12日聚首COP26，一大關鍵議題自然是加速脫離使用化石燃料。臨近會議，IAEA在本月中發表的《為了全球淨零排放的核能》報告中主張，要達到巴黎協定（Paris Agreement）和聯合國2030議程（Agenda 2030）目標，核能必須在能源和氣候政策中佔一席位。根據該報告，若以250百萬千瓦時（GW）核能發電取代20%煤碳發電，足以減少20億噸二氧化碳排放，相當於發電行業每年排放量的15%。

IAEA總幹事Rafael Mariano Grossi認為：「在過去五十年，核能累計避免了大約700億噸二氧化碳排放，並持續每年避免10億噸二氧化碳排放。COP26將至，是時候採取基於證據的決策，並擴大投資核能。不這樣做的代價，將會大到難以承受。」美國總統氣候特使克里（John Kerry）也主張：「全球潔淨能源轉型，將需要在未來十年打後大規模應用每一種潔淨能源技術，包括核能。」

追逐終極理想能源

自上世紀二十年代起，科學家了解到核融合是太陽等恒星的能量來源後，約一百年來科學家都在思考核融合用於發電的潛力。目前核電發電所用的核分裂（又稱核裂變）技術，使用鈾（Uranium）或鈽（Plutonium）等重元素，經原子分裂產生連鎖反應釋放能量。核融合（又稱核聚變）以輕原子核融合成重的原子核，例如太陽核心中，氫原子核在高溫高壓下不斷融合成氦原子，當中的質量損失會釋放成龐大能量。

核融合有幾個重要優勢，令它被視為某種終極理想能源。首先，原材料容易取得，目前研究較常用的是氫的同位素氘（Deuterium）和氚（Tritium），分別可從海水提取，以及藉由鋰與中子反應產生。中科院等離子體物理研究所所長宋雲濤估算：「海水中蘊藏大約40萬億噸氘，一公升水能夠提煉0.03克氘，聚變反應釋放的能量相當於燃燒300公升汽油或者336公斤煤。這樣算來地球的海水可供人類使用上億年。」

其次，相比核分裂，它不會產生碳排放，只會產生少量的放射性廢料，而且過程容易停止，不會有自主產生連鎖反應，因而可避免過往核電廠爐心熔毀引致輻射外洩的失控災害。建造核融合發電廠需要的土地，面積也相對較小。

此外，核電也比風能、太陽能等再生能源供應穩定。希望依靠風能到2050年前達至淨零排放的英國，近月來相信也有所感受。早前歐洲北部風力驟減，原因未能確定，惟可能是氣候變化下出現的全球靜風（global stilling）現象所致；加上正值歐洲天然氣短缺，英國上月的電價暴升至去年同期七倍。在福島核事故陰霾下的日本，新任首相岸田文雄最近表示：「我確實認為可再生能源重要，但當我在思考單靠可再生能源是否足夠，我相信有需要準備好其他選項，例如氫、小型核設施及核融合。」

加拿大核融合公司General Fusion商業發展總監Jay Brister補充，考慮到未來能源需求，核電地位將更加重要：「到2050年，全球電力需求估計會是現在的三倍。要滿足不斷成長的需求，核融合對於電力公司，將是發電技術組合中的一個有力的額外選項。」

IAEA的報告還指出，核能可以有效推動經濟增長，轉型至潔淨能源過程中在各行各業製造新工作職位。例如波蘭目前煤碳發電佔比約70%，提供約20萬職位，它正計劃興建新核電廠以減少對煤的依賴。其氣候及環境部長、COP24主席Michal Kurtyka估計，與再生能源及核能相關的新行業，可創造約30萬個新的工作職位。

英國似乎最為看好核融合的潛在優勢。一方面，去年11月首相約翰遜（Boris Johnson）宣布將投資120億英磅到綠色工業革命十點計劃，包括核能。計劃之一是至今已投資了2.22億英磅興建「球型托克馬克能源產生」（STEP）設施，在2040年能作為核融合發電廠的示範雛型。本月中它在英格蘭和蘇格蘭篩選了五個選址，明年底會有最終決定。另一方面，英國將是首個國家仔細討論如何立法監管核融合發電。本月初科學大臣George Freeman發表了《核聚合綠皮書》，基於核融合的低災害風險，英政府在諮詢中主張採取視之為「非核」的監管方向。

其他國家正在部署核融合計劃。中科院等離子體物理研究所目前正承擔建設聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施（CRAFT），是「十三五」規劃下的大科學裝置。所長宋雲濤上月底向《新京報》透露，已着手未來核融合發電站的工程設計，若得到國家支持，可望在十年內建成小型示範工程。美國國家科學院在本年2月發表報告中設下目標，「能源部及私企應該要在2035至2040年內，在美國成功以先導核融合發電廠產出正淨值電力。」

「永遠三十年後的科技」

要在地球上製造出「人造太陽」，反應溫度需要在攝氏1億度以上。自1968年蘇聯科學家公布托克馬克（tokamak）的亮麗數據後，這種裝罝設計已成為主流。裝置呈「冬甩狀」，利用磁鐵製造磁場，約束和操控帶電荷的電漿（又稱等離體）粒子懸空在裝置內進行核融合。

這並非完全流於想像和理論。設於英國的歐洲聯合環狀反應堆（JET），在九十年代末曾經以核融合方式產生了16兆瓦（megawatt）功率電力。然而，JET在這過程中投入24兆瓦電力。這反映一直困擾科學家至今的難題，用業界的說法是如何實現「Q值」（融合能量增益因子）大於1，亦即是核融合輸出的能量需多於投入啟動核融合的能量，才能真正用於發電。

為找出答案，共35個國家正合作在法國南部建造國際熱核融合實驗反應堆（ITER），其造價達250億美元。這巨型托克馬克裝置利用低溫超導磁鐵，以磁局限融合（MCF）方式發電。首塊主要巨型磁鐵組件在上月初運抵當地，共六塊組裝完成後，整個裝置將共重23,000噸，佔地100英畝；可產生13特斯拉（tesla，磁通量單位）的磁場，相當於地球磁場強度28萬倍。按計劃ITER將於2025年首次電漿測試，2035年融合實驗。但ITER將不會實際用來發電，只是用來試圖證明商業核融合發電可行，目標是從50兆瓦功率電力產生500兆瓦輸出；同時希望實驗過程中的科學和技術進展能為日後帶來更小巧和有效的反應堆。

近月來，不同核融合實驗取得正面成果。在5月底，中國的全超導托克馬克核融合實驗裝置（EAST）創下世界紀錄，在攝氏1.2億度下維持電漿運行101秒，在攝氏1.6億度下維持20秒。宋雲濤說未來幾年內的目標是延長至400秒甚至1,000秒。

由麻省理工學院科學家創立的公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）在材料方面有重大突破。雖然是跟ITER一樣的托克馬克裝置，但CFS使用新穎的高溫超導物料，可以在佔用較少空間下產生更強的磁場。上月初CFS的磁鐵產生了20特斯拉強度磁場，是同類磁鐵中最強：CFS聲稱，若使用低溫超導磁鐵，所需設備體積需要40倍大。這磁鐵將用於其興建中的試驗反應堆SPARC，目標在2025年展示核融合發電在商業上可行，再在2030年代初建立首座正式核融合發電廠ARC。

MCF以外的其他核融合方式也有不俗的進展。8月，美國勞倫斯利佛摩國家實驗室國家點火設施，把192束激光聚焦至氫燃料來啟動慣性局限融合（ICF），輸出能量達到輸入能量70%，比以往實驗均更接近Q值上平衡的目標。

由於約一百年來都未能在科學上證明可以在能量上「收支平衡」，大型項目如ITER自1988年啟動至今經歷多番超支延期，核融合長年被笑稱為「永遠在三十年後」的技術。對此，核融合工業協會（FIA）通訊總監Melanie Windridge向國際原子能機構指出，其實各種因素正在加速這技術的進展：「首先，科學知識有所成熟，我們現在對電漿物理學有很好理解，托克馬克之類的概念已經實現了核融合反應。在此之上還出現了新技術，例如以更高性能的運算來改進電漿模擬和建模；用人工智能和機器學習改良和控制操作；高溫超導體可以帶來更強的磁場，更好地局限核融合燃料。現在更強大和高效的激光，可以促進慣性局限融合的進展。」

突破還看政治決心

同時，Windridge還看到研究興趣和社會風氣上的改變：「重要的是，現在公眾對氣候解決方案的興趣更大，政府正在設定零排放目標。現在融合還擴展至私營領域。」一直以來，核融合多數是國家主導的研發計劃，然而，核融合在科學以外的另一個近來重要進展，是私人領域也開始感興趣。根據彭博新能源財經（BloombergNEF），光是去年歐洲和北美的核融合私企共吸引三億美元投資；ENI、Equinor、Cenovus、雪佛龍（Chevron）等能源巨企也投資到核融合。核融合工業協會行政總裁Andrew Holland指出，現時在美、英、法、加、中共有至少35間核融合公司；據該會及英國原子能管理局（UKAEA）估算，它們共集得19億美元資金。

當中有些更得到知名科技界人士加持，例如貝佐斯（Jeff Bezos）已投資加拿大的General Fusion逾十年。這間公司採取另一種稱為磁定位融合（MTF）的方式，在反應器中裝入液態金屬，將它旋轉至中央形成空腔；再以注射器將電漿注入其中，然後壓縮和加熱以產生核融合反應。CFS也得到突破能源基金（BEV）投資，該基金的董事局及投資者雲集科技界富豪如蓋茨（Bill Gates）、布蘭森（Richard Branson）、孫正義、馬雲等。

BEV投資經理Phil Larochelle解釋，隨着多種科技進步，核融合不再是以往難以看到回報投資，畢竟「確實出現了重大進展」。元盛資產（Winton Capital）有投資到英國業者Tokamak Energy，元盛創辦人David Harding說，「全球暖化的勢頭令這方面的投資更加理所當然」。

美國普林斯頓電漿物理實驗室研究副總監Jonathan Menard認為，資金流入及多元的研發進路對這領域都是好事：「很難預測哪一間公司最終會勝出，但肯定會帶來很多好的研發。」馬克斯普朗克電漿物理學研究所物理學家Ana Koller覺得，勝負未必是這場研發競賽的重點：「這不是那種為了羞辱或消滅對手的競賽，而是能讓核融合研究更多元化，在未來大家得以合作，不是贏家通吃。」

Holland再次提醒，現時仍未有一個研究項目能夠達到能量上的「收支平衡」。當突破了那一點，屆時競賽將會從科學實驗變成如何真正商業化。Windridge指出，科學上證明輸出電力正淨值後仍有諸多實際技術和工程挑戰需要考慮，例如如何增加能量產出和增產氚燃料；核融合產生的中子對電裝置物料的損耗；這樣裝置也可能需要設計成能夠快速、便宜地更換組件等；最後還要政府立法監管，以及公眾接受。

這些核融合研究項目最終可否或將會多快實現，有業者認為只是取決於各國決心。ITER通訊總監Laban Coblentz寄望：「2035年（實驗核融合發電）是否不可想像？當然不是。但是否大機會發生？如果以我們現有投資就不是。對我來說，不是還需要多久就能實現核融合發現，而是需要以對待新冠肺炎的方式來看待它。18個月前，地球上最聰明的流行病學家告訴我們，獲得新冠疫苗最快需要四年。但是世界各國合力投入了940億美元到新冠疫苗研製。這是ITER成本的四至五倍。」