去年底（2022），美國的「國家點火裝置」（National Ignition Faility, NIF）在實驗中首次實現了「淨能量增益」，簡單來說就是核融合產生的能量超越了實驗輸入的能量，輸出/輸入比Q>1。美國能源部非常興奮，社會大眾也非常興奮。
最近，台灣知名科普網站《泛科學》的共同創辦人鄭國威也在臉書上問了這個問題；
你覺得哪一件事情會先發生？
1. 通用/強人工智慧
2. 「治癒」衰老
3. 核融合商轉
4. 人類在火星建立殖民地
5. 中共政權被推翻或分裂
從底下的留言中，可以發現有許多人對核融合商轉抱持著非常樂觀的態度。
我甚至聽過一種觀點，2050的淨零碳排其實一點也不難，土地狹小的台灣不該發展耗費土地的太陽能，到時候只要用核融合就行了。
真的是這樣嗎？我其實沒那麼樂觀。
當然啦，我又不是核物理學家，憑什麼提出我的觀點？有個著名的，關於核融合的笑話是這麼說的；
記者：「請問核融合發電什麼時候可以商轉？」
科學家的回答自從1950年代開始，就一直是「三十年後」。
我對核融合很感興趣，十分留意這方面的進展，很希望有生之年可以見到核融合商轉，不要是永遠的「三十年後」。只是依照我的了解，至少美國能源部這次的大肆慶祝，有點刻意誤導大眾之嫌，目的可能是爭取更多的經費。
我以下文章的觀點和數字，有許多來自萬維綱和其他一些專業性比較高的來源。萬維綱在成為專欄作家之前，其實是個物理學家，做的正是核融合相關的磁約束方面的研究，所以他的意見應該在專業度上是足夠的。
順帶一提，萬維綱在得到APP上的專欄非常精彩，趁機推薦給大家。
核融合發電原理概述（幼兒園版）
核融合是什麼？就是兩個較小的原子核融合在一起，成為一個較大的原子核。這過程中會損失掉質量，根據愛因斯坦著名的公式；E = mc²，損失掉的質量會轉化為巨大的能量，可以用來發電。
目前主流，也幾乎唯一的核融合研究，是氘、氚融合變成氦。氘、氚都是氫的同位素，氘在海水裡很多，而氚可以從鋰和氘的核反應中得到。
氘、氚好好的怎麼就融合了？你得讓它們充分接觸、碰撞才行，這意味著很高的溫度、密度得夠大、時間得夠長。這三個條件是可以互相取捨的。
如果選擇高密度、低溫度，這就是所謂的「慣性約束」路線，美國國家點火裝置NIF採用的就是這個路線。
如果選擇的是低密度、高溫度，就是所謂的「磁約束」路線，其實才是目前主流的發展路線。
然後，受控的核融合發生，我們可以發電了。（忽略中間一萬個細節）
核融合商轉的里程碑（小學版）
依據萬維綱的看法，核融合發電商轉需要五個里程碑，分別是融合、點火、持續輸出、發電和營利。
以下我用NIF這次的成果為例，透過這五個里程碑來分析一下，我們究竟距離核融合發電商轉有多遠。
融合
融合不難，太陽中心是融合，氫彈也是融合，只不過我們要的是受控的核融合。
如前所說，NIF走的是「慣性約束」路線。要先把氘、氚溫降到接近絕對零度，此時它們是固態顆粒（這是高密度），然後裝進1mm大小的球形膠囊容器，再把這個膠囊懸掛在真空的燃燒室內，然後用192束高能雷射去把氘、氚加熱到接近太陽中心那麼高的溫度（別懷疑，這是低溫），促使核融合發生。（如圖）
困難點在於雷射。在燃燒室中的高能量狀態只能維持幾十億分之一秒，所以雷射都必須是高能脈衝、協調完美，確保同時發射。這種雷射技術在上世紀80年代提出，還得到了2018年諾貝爾物理學獎。
點火
所謂點火，就是第一步核融合產生的能量足以驅動後續的核融合反應，如此撤掉雷射後反應仍能繼續進行。
這部分我感覺NIF宣稱的點火是有點偷換概念了。
首先，這個所謂的點火，僅持續了非常短的時間，並不是想像中能夠生生不息地有新的融合反應發生，而且輸出的能量也很低。
再來，這次實驗中輸入的能量是2.05M焦耳，輸出是3.15M焦耳，Q看起來是1.54。但，產生這些高能雷射所花的能量呢？
持續輸出
所以，為了輸入2.05M焦耳，雷射消耗掉多少能量呢？答案是322M焦耳。這是因為高能雷射的能量轉換效率非常低。如果把雷射消耗的能量考慮在內（本來就該考慮），那Q值就變成不到1%，非常難看。
NIF等於重新定義了Q值，這點也引來許多批評。
更糟糕的還在後頭。為了持續輸出，這個雷射打膠囊事件，每天得發生一萬次。而NIF目前的技術能力，每天只能打一次，因為高能雷射打一次就會變得非常熱，得花好幾個小時才能冷卻下來。
發電
假如核融合反應產生了足夠能量，那麼該怎麼發電呢？一般的設想是蒐集核融合產生的中子，用它的動能碰撞水，把水燒開來發電。這意味著燃燒室外頭得包一層水，而中子可能會和其他物質產生核反應，也得用某種方式保護。其實具體細節科學家根本還沒想清楚，因為距離那一天太遠了。不過可以想像得到，各種發電系統中的損耗，一定會影響效率。
營利
假設前面的問題都解決了，最後一個里程碑：「營利」，難度其實也非常高，但常常被人忽略。
我們把雷射還有其他初期的建廠成本這些固定成本都忽略不計吧，只考慮燃料這一項變動成本。前面說的那個裝著氘、氚顆粒的小膠囊，幾年前的價格是一顆50萬美元，你用得起每天一萬顆嗎？
當然，大量應用之後價格一定會下降，但是也會碰上瓶頸，也就是氚的成本。
氚是一種放射性物質，保存上有它的難度，半衰期只有12年多，無法長期保存，目前只能透過讓氘和鋰發生核反應的方式來製備（聽起來就很貴）。2020年氚的價格是每盎司一百萬美元，NIF估計每天要用掉的氚是兩磅，價值三千兩百萬美元……
磁約束路線的發展（中學版）
美國人就愛吹牛要錢，那主流的磁約束發展如何呢？
之前說到，磁約束選擇的是低密度、高溫度。
低密度時氘、氚都是稀疏的氣體，這樣的氣體必須被加熱到太陽中心溫度的十倍（這才是高溫），才能讓核融合發生。
其實把氣體加熱到這個溫度並不難，難的在於如何維持，如何用一個「容器」約束住高熱的氣體，但氣體溫度又不會被低溫的容器降溫。
高溫下，氣體的電子都會剝離，成了帶電的等離子體。如果我們搞一個環形的磁場，讓等離子體沿著磁場轉圈，不就能解決這個問題嗎？這就是當初蘇聯科學家想出來的辦法，這個裝置叫做托卡馬克（Tokamak）。
目前這種方法的Q值可以做到多少呢？
根據我查到的資料，托卡馬克的最高紀錄是Q=0.67，由歐洲聯合環狀反應爐（JET）在1997年創下。有些人可能會看到JET和日本的托卡馬克JT-60可以到達Q=1.25，不過這裡的Q是「推斷」Q，不是真正的Q。
什麼意思呢？剛剛提到氚有放射性，需要額外的安全防護，大幅提高了設計和運行這種反應爐的成本，許多實驗的反應爐為了節省成本，被設計成避開麻煩鬼氚，僅用氘和「氫」作為燃料來試驗，僅用理論去推斷實際使用氘、氚時的Q值，因此是「推斷」Q。
根據歐洲聯合環狀反應爐JET實際採用氘氚後的資料，最大Q值0.67，大約是推斷Q的一半，所以還是不到1。
目前歐洲各國共同籌資在法國建設中的下一代托卡馬克ITER，設計值是Q=10，預計2030前後投入實驗，且讓我們拭目以待。
總之，在談慣性約束時講到的幾個里程碑和對應的困難點，磁約束的托卡馬克裝置也有，只是輸出能量更大，Q值相對也比較紮實，水分比較少。
依照目前普遍的看法，Q必須大約5能量才能平衡。而進一步考量發電過程的損耗，Q值必須10以上。至於要在商業上具有競爭力，Q值可能需要達到30。
現在其實還有一些新創公司在圈錢發展核融合，有些路線甚至不是慣性約束也不是磁約束。我沒有能力一一評論。不過我的想法是，核融合這種最前端的基礎研究，資金需求龐大，獲利又遙遙無期的項目，國家的力量來搞還是比較適合。私人公司最佳的進場時機，應該是里程碑一到四走完了，只要專心搞定營利時。現在還太早了。
講了這麼多，到底核融合商轉什麼時候能實現呢？
如果你問我，那還用說，答案當然是「三十年後」啦。
