隨著近期在該領域的突破，越來越多的媒體討論核融合。
但什麼是核融合，它與核裂解有何不同？為什麼有這麼多私人公司和州政府投資於融合研究與開發 ?
我們在此回答這些問題，然後強調真空在實現核融合方面所扮演的重要角色。
核裂解是如何運作的？
目前，核能發電廠利用裂解過程產生能源。核裂解涉及取一重原子，例如尿同位素 U-235，並將其分成兩個較輕的原子。這個過程會釋放出大量的可用能量。
裂解係藉由用中子炸炸 U-235 來起始。當這些中子與 U-235 原子碰撞時，它們迫使額外的中子釋放，然後與其他 U-235 原子碰撞，形成鏈反應。這種反應也會產生電磁輻射。為了最大化能量產生，裂解中使用的中子數目必須受到控制，以防止鏈反應死亡或消失。
使用核裂解產生電力
裂解反應器以與傳統發電廠相同的方式利用所產生的能源。
裂縫發生在反應器容器中，由控制桿調節。反應產生的熱量用於加熱水並產生蒸汽。然後，蒸汽轉動渦輪以產生電力。需要採取額外的步驟來安全處置用過的燃料，因為它們具有放射性，半衰期可能超過 10，000 年。在許多情況下，退役成本高達初始資本成本的 15%。
為了製造核裂解燃料，首先需要富集，從天然存在於尿礦石中的 0.7% 濃度增加至裂解過程所需的 4-5% 濃度。這是使用 1，000-2，000 個離心機階段完成的。為此，尿礦會轉化為 UF6 氣體，經過處理，然後在富集過程後轉化為燃料顆粒。在特定的真空參數下仔細控制離心製程。
截至 2026 年 2 月，淨容量 ~400 GWe 的 416 座反應器已投入運作，在 31 個國家 / 地區營運。這些反應器產生的電力約占全球電力的 9%。此外，還有 70 座核能反應堆正在建設中。 礦石來自 10 個國家，其能源密度是化石燃料的 70，000 倍。核電廠的建設成本可能介於 $2 至 $20 億之間，但開發更低成本、更小型的設備是可行的。
核融合：裂解的相反面
光元素的融合反應為星星提供能量，並在稱為核合成的過程中產生許多元素。
核融合是一項發展中的技術，位於目前科學研究的前沿。融合有可能革命能源生產，是許多國家和國際專案的焦點。
在核融合過程中，兩個光原子「融合」在一起，形成一個更大的原子。如此一來，核融合是裂解的反面：原子組合形成一個更大的原子，而不是分裂原子。這會導致能量釋放。
融合結合了氫同位素，如丁氫 (D) 和三氫 (T) 。丁氫，也稱為重氫，類似於「一般」氫同位素，如蛋白質，但丁氫含有額外的中子。比較之下，鋰是含有兩個額外中子的氫同位素。
理想的熔融反應使用 50:50 的鈀和鋰混合物，每次只需要幾克。然而，這個理想很難實現。
| 核裂解 | 核融合 |
| 分離重原子 | 結合光原子 |
| 使用 尿素 | 使用氫同位素 |
| 產生具有長期使用壽命的廢棄物 | 不會產生長期的廢棄物 |
| 鏈反應 | 無鏈條反應 - 無失控的可能性 |
為什麼可行的融合能源如此難以實現？
只有將光原子「擠壓」在一起足夠長的時間，才能融合。吸引的核力比排斥的靜電力強，但僅在非常短的距離內。基於這些限制，融合的主要技術困難是讓核子夠接近以允許「融合」。這就是為什麼需要磁性或慣性封閉形式（或兩者的組合）。
兩種類型的封閉都需要巨大的溫度：高於 4 x 107 K 的鈀 - 鋰 (DT) 熔融。比太陽的核心溫度高出 10 倍！
融合的不同類型有哪些？
建議採用許多不同的方法來達成融合。然而，有兩種主要類型的封閉正在探索中。
磁性封閉融合 (MCF)
磁控融合 (MCF) 無疑是商業發電最具鼓勵性的途徑。它使用一系列非常強大的超導磁鐵，使用液態氦氣冷卻磁鐵並優化裝置效能。
最常見的磁性隔離裝置是 Tokamak 和 Stellarator，雖然有些設施已經嘗試使用磁性鏡子的裝置。這三種裝置類型均由中央真空容器組成，其中含有血漿並發生融合反應。真空容器由低溫恆溫器圍繞，其中容納超導磁鐵並進行冷卻。 Tokamak 具有環形形狀，Stellarator 類似扭結絲帶，而鏡面機具有圓柱形狀。磁場持續迫使原子聚集在一起，而高溫可實現「等離子體點火」。
慣性封閉融合 (ICF) 。
第二種常見的封閉類型是慣性封閉熔融 (ICF) 。這種技術透過使用雷射或帶電粒子束對 DT 燃料的小粒子（1 至 3 mm）進行爆炸來提取熔融能量，以壓縮並加熱混合物以點燃。在這裡，點火是指所有阿爾法粒子停止的情況，導致電漿加熱。
Lawrence Livermore 國家實驗室 (LLNL) 設計的激光慣性封閉熔融裂解能量 (LIFE) 反應器示意圖。
使用短脈衝（1 至 10 ns）的高功率雷射、X 光或離子束非常快速地進行壓縮和加熱，這些光束從許多方向與燃料相交。直接驅動裝置直接將壓縮能量脈衝傳送至燃料粒子。間接驅動 ICF 技術會將燃料顆粒置於小型金屬容器（空腔 / 燃燒室）內。然後雷射聚焦在空腔上，將其加熱成等離子體，該等離子體會輻射 X 射線，進而被顆粒吸收。然後顆粒以「直接驅動」的方式壓縮。 與直接驅動裝置相比，間接驅動方法的效率明顯降低。 間接驅動技術用於核武器模擬。
為了從 ICF 產生電力，燃料顆粒會落入真空反應室中，在那裡被點燃。來自電漿和融合中子的輻射被液態鋰吸收。產生的熱量用於傳統蒸汽產生，而產生的鋰可作為新燃料回收。
融合的優點有哪些？
一旦達到持續點火，熔融有可能從非常少量的燃料中產生大量能量 - 在商業反應器中每年僅約 250 公斤。
相較於碳氫化合物來源，熔融的主要優點是燃料的豐富性、溫室氣體等有害副產物的缺乏，以及相較於核裂解的本質安全性。
與裂解相比，核融合具有額外的優勢：
- 雖然融合反應會釋放對人類有害的中子，但這些中子被封存，並且在工廠關閉後幾乎立即停止生產中子。
- 融合本質上更安全，因為不會發生鏈條反應、失控或熔融。
- 熔融會導致極端溫度，但如果有任何電漿逸出，則熱量會迅速散發而不會造成傷害。
- 中子可能具有危險性，但很容易被阻止。
- 雖然核融合會產生放射性廢棄物，但這種放射性是短暫的，尤其是與裂解產生的廢棄物相比。這包括中子爆炸容器。
- 熔融產生的廢棄物不需要運輸以進行棄置、儲存或再處理。
核融合技術中如何應用真空？
磁性密封中的真空要求
一般來說，真空用於整個磁性封閉週期，包括：
- 將反應容器本身排空至 UHV: 需要移除較大的氣體種類並防止血漿污染。
- 低溫製冷（低溫恆溫器）: 低溫製冷器需要真空。
- 鋰生產：鋰是透過中子與鋰碰撞而產生的，這需要真空和泵送冷卻劑氣體。中子也由裂解反應或線性加速劑產生，兩者都需要真空才能運作。
- 電漿加熱：中性光束注入系統中需要真空來加熱電漿
- 真空測試：設備在真空下進行測試，並使用脫氣設備和洩漏偵測器等工具。
- 壓力計、洩漏偵測和儀器 : 用於監控設備和製程效能，並確保所需的密封性
- 冷卻：用於冷卻超導體的氦氣需要抽氣
- 再循環：將未使用的燃料和氦氣從腔室中泵出、分離並再循環
- 熔融燃料：需要強大的幫浦將熔融燃料注入腔室
慣性密封中的真空要求
- 將目標腔室抽空至 UHV：需要移除較大的氣體種類並防止血漿污染
- 目標定位系統：用於對準燃料上的雷射的系統需要真空
- 光束線真空：雷射使用多條光束線，所有這些都需要在真空下
- 空間過濾器：空間過濾器用於「清潔」雷射光束並在真空下運作
- 壓力計、洩漏偵測和儀器 : 用於監控設備和製程效能，並確保所需的密封性
熔融應用的特定真空要求為何？
真空泵浦的關鍵要求之一是處理鋰的能力。這意味著首選金屬密封件，泵浦應不含氟 / 鹵素和碳氫化合物。
在磁性封閉的情況下，泵浦也必須能夠在高磁場下運作，而且通常需要屏蔽。 反應室周圍的空間非常有限，停機成本極高，因此泵浦必須佔用面積小，並且高度可靠，維修需求極低。
融合的未來
有關合併產生的淨能源收益何時達成的討論仍在進行中，但樂觀的估計現在預計 <5 年。
支持這種樂觀的事實是，世界各地的合併專案打破了紀錄，包括 JET、NIF 和 EAST 設施。
私人合併產業正在快速成長，到 2026 年的申報投資額為 $13B。
ITER 是目前正在建造的 tokamak 型反應堆，是世界上最大的（多）政府資助的融合專案。其目標是產生比其使用量多 10 倍的能源。ITER 的目標之一是引領 DEMO 的發展，這是商業熔融反應器的原型。
在 18 個國家 / 地區，有 ~100 多個融合裝置正在運行或建造中，包括私人資助的裝置。
目前沒有熔融設施能產生淨能源增益。但由於熔融燃料的能量密度甚至高於裂解，約為化石燃料的 10，000，000 倍，因此該技術有望重新塑造能源生產的未來。
真空與核融合 - 關鍵要點
- 核融合需要超高真空 (UHV) 以將等離子體污染降至最低，並在中真空下實現穩定的等離子體操作。
- 磁性和慣性封閉融合技術方法都需要大型抽真空容器和精確的光束線。
- 熔融真空系統必須在極端條件下可靠運作，包括中子輻射、強磁場和鋰服務。
- 堅固耐用的無碳氫化合物真空技術是發電路徑上熔融研究和開發的關鍵推動因素。
常見問題
簡而言之，什麼是核融合？
核融合是兩個輕原子核結合形成更重核的反應，釋放大量能量。
核融合與核裂解有何不同？
融合結合原子，而裂解分離原子。熔融會產生較少的長效放射性廢棄物，且不依賴於鏈反應。
為什麼核融合如此困難？
熔融需要極高的溫度（超過 1 億 °C）和受控的封閉，以克服原子核之間的靜電排斥。
核融合是否會產生放射性廢棄物？
熔融會產生一些放射性材料，主要來自中子活化，但與裂解相比，廢棄物的壽命較短。
為什麼熔融反應器需要真空技術？
熔融反應器需要超高真空以防止等離子體污染、支援精確的光束線，並確保安全處理鋰和氣體。
為什麼真空在核融合中很重要？
真空系統對所有熔融技術都至關重要。他們：
- 防止殘留氣體污染熔融電漿
- 在大容量反應器中維持 UHV（>100 m³）以支援電漿純度
- 實現鋰生產和安全處理
- 透過精確的壓力控制支援光束線和雷射系統
- 啟用燃料再循環和氣體分離系統
特殊真空泵浦還必須能承受嚴苛的熔融環境，包括高磁場、中子和放射性氣體，例如鋰，因此需要金屬密封、無碳氫化合物的系統。
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