托卡馬克裝置、仿星器、雷射和替代概念：提供全球視角核融合裝置的報告(20230220)
世界上最大的核融合裝置國際熱核融合實驗反應器(ITER)正在興建中。(照片：ITER)
自1950年代首次實驗以來，複製恆星能量來源的融合，一直是一個巨大的挑戰。現今科學家和工程師不斷有新發現，使這種幾乎取之不盡的能源離現在更近了。多年來，已經設計和建造了各種實驗性融合裝置，包括托卡馬克(tokamaks)裝置、仿星器(stellarators)和基於雷射(Tokamaks)的技術等，以推進融合能源的前景，並有一天徹底改變我們產生能源的方式。
目前，世界各地有130多個公共和私人的實驗性融合裝置正在運轉、興建或規劃中，它們是基於產生融合反應的不同方法與各種設計。為審查這些樣式繁多的設施，IAEA發布了一份新報告《2022年全球融合設施調查》，該報告進一步闡述了IAEA線上數據庫(稱為融合設施資訊系統(FusDIS))中可用的訊息。
一旦實現，融合將使每個國家受益，並與核能和其他形式的可持續能源共同發揮作用，支持減緩氣候變化並為能源結構做出貢獻，”IAEA核電漿融合專家Matteo Barbarino說。“核融合幾乎可以使每個國家受益，這正是它如此重要的原因之一。
在世界各地，研究人員和工程師正在探索不同的融合裝置設計以推動進步，”他繼續說道。 “我們新出版的報告從這些設施功能的角度綜合說明了融合的研究和發展成果。
核融合是兩個原子核結合形成更重形式原子核並釋放大量能量的過程。然而，在現實環境中要達到持續和可受控制的融合反應，仍存在著許多科學和技術上相關的挑戰。為了使這樣的反應持續進行，通常使用氫的同位素為燃料，且必須被限制在高壓和比太陽核心高幾倍的極高溫度下進行。
目前已繼續獲得了重大的進展。30多個國家已經以不同類型的融合裝置進行了試驗，通常都成功地實現了融合反應，儘管其時間很短，而且都還沒有產生可使用的能量。
不同的方法，相同的目標：
此報告分別於每一章專門說明不同類別的設計，提供詳細的訊息，包括其名稱、狀態、所有權、主持的國家和組織，並簡短描述設施的目標和主要功能等。它還提供了有關的出版品、資金和其他參數的統計數據，以助於全面了解全球融合工作的狀況。
例如，托卡馬克和仿星器是最常見的設備，也是當前大部分研究的重點。 這些環形裝置包含了大磁鐵，以控制融合發生位置高溫帶電氣體電漿的運動。報告顯示，目前全球有50多台托卡馬克裝置和10多台仿星器在運轉。世界上最大的托卡馬克裝置ITER是由35個國家參與，目前正在法國興建中。
另一種方法包括慣性融合，它使用高功率雷射(或其他方式)加熱和壓縮含有燃料顆粒的微小球形膠囊。去年12月，美國國家點火設施(NIF) 使用這種方法在融合研究方面獲得了重大的進展，從其192台雷射的 2.05百萬焦耳(MJ)能量輸出中產生了約3.15百萬焦耳的能量。 “今年我們發現自己處於一個可以談論燃燒電漿、融合點火的里程碑，而不是過去討論能量增益要大於1的目標。這種情況非常了不起，”美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)慣性圍封融合程序設計物理部首席科學家 Omar Hurricane說。
該報告還詳細介紹了科學家們繼續致力於產生融合的替代設計，例如，將粒子加速器產生的兩組離子束相互碰撞，在碰撞點發生融合﹔或嘗試使用氫同位素以外的燃料，例如利用質子與硼-11的融合一樣。
為了證明融合能有效發電，人們更致力於設計和興建示範之融合發電廠(DEMO)，如今以有私人進行了投資。 該報告還以專章介紹了在中國、歐洲、日本、俄羅斯、大韓民國、英國和美國處於不同發展階段的12種 DEMO概念，其目標之完成日期跨越了未來30年。“我們在理解融合及其科學方面取得了重大進展，但在它成為實用的電力來源之前仍有很多待努力的工作”Barbarino說。