【核能3】認識核聚變、氫彈與中子彈的物理原理，人造太陽有可能嗎？

當我們談到核聚變（fusion），常會聯想到巨大的蘑菇雲、像太陽一樣的光亮，或是戰爭時令人不寒而慄的威力。但核聚變真正的物理意思其實可以用幾個生活化的比喻說清楚：它是把輕的原子核合成成較重的原子核，過程釋放出大量能量。理解這個過程的關鍵，不需深厚的物理背景，只要抓住幾個核心概念，就能看懂氫彈為何如此驚人、太陽如何發光發熱，以及科學家為何在實驗室裡努力地想把核聚變「馴服」成為發電來源。

什麼是核聚變？為何會放出能量？

把核聚變想像成兩顆小球要合併成一顆大球。原子核由帶正電的質子和中子組成；當兩個帶正電的質子靠得很近時，它們會互相排斥（像兩個同樣極性的磁鐵相斥），這種排斥叫做靜電排斥（Coulomb排斥）。要把它們推到非常接近，必須給予極大的能量，讓它們「跑得夠快」去克服這個排斥。一旦它們靠得夠近，核子之間的強核力（strong force）就會把它們綁在一起，形成新的較重的原子核。在這個結合的過程中，系統的總質量會微微減少，那個減少的質量會以能量的形式釋放出來（這就是愛因斯坦的E=mc^2）。

太陽如何做到核聚變？地球上為何難以模仿？

在太陽裡，巨大的重力把數以十萬萬計的氫壓縮在核心，溫度達到上千萬度，粒子運動極快，足以克服靜電排斥並發生聚變。可以把太陽想像成一個自然的大鍋，靠自己重量和高溫去達到「燃點」。地球上沒有這樣大的重力，我們如果想做到核聚變，就必須另外想辦法把氫原子加熱到極高的溫度或把它們猛烈壓縮。這正是實驗室裡科學家面對的兩大挑戰：一是把燃料加熱得非常熱（數億度），二是把這些熱的燃料困在一個區域足夠長的時間，以便足夠的原子核碰撞並維持反應。

氫彈為何需要原子彈作為“火柴”？

氫彈（thermonuclear weapon）利用的就是核聚變，但要把氫點燃的溫度和壓力極高。實際上早期的氫彈設計常常把一個傳統的核裂變彈（我們俗稱的原子彈）放在前端作為引爆器。這個裂變彈一爆炸，瞬間產生極高的溫度和大量放射線，把周圍的氫同位素（例如重氫：一個質子一個中子；或超重氫，即氚：一個質子兩個中子）加熱到能發生聚變的條件，於是聚變反應就被觸發，釋放出遠超裂變彈的能量。這也是為何氫彈的蘑菇雲會比原子彈更壯觀，光度有時甚至被目擊者形容為「天空裡多了第二個太陽」。

能量級別：千噸、萬噸到百萬噸

核武威力常用「TNT當量」來比較：廣島、長崎那類原子彈的等級通常在數千噸到數萬噸TNT（稱為千噸到萬噸級，kiloton）；氫彈則可達到百萬噸（megaton）級別，甚至更多。舉例來說，史上最大的一顆試爆氫彈——所謂的沙皇炸彈（Tsar Bomba）——威力約數十萬噸到數千萬噸TNT（常見數字為數十Megaton），比廣島那類原子彈大上好幾千倍。把這種能量放在一個城市上，破壞範圍會大到難以想像：不僅建築被摧毀，熱輻射和高強度中子也會對生物造成致命影響。

核裂變與鏈式反應：原子彈怎麼「自己越炸越多」？

原子彈的能量來自核裂變：重核（如鈾或鈈）吸收中子後分裂，分裂時會釋放出更多的中子，這些新中子可以撞擊其他重核，引發更多裂變，形成快速的連鎖反應（像滾雪球一樣）。這種連鎖反應在很短時間內釋放出巨量能量，產生巨大爆炸。氫彈裡面通常也有裂變的「引信」或「內核」，先靠裂變把條件推到能引發聚變的水平，再由聚變放出更大量的能量。

中子在核武裡的角色：什麼是中子彈？

核聚變會放出高能中子。中子本身沒有電荷，因此穿透能力很強，可以穿透建築物，直接打到裡面的人和生物，造成嚴重的輻射傷害。所謂的中子彈（neutron bomb）其實是針對這一點做設計：把武器調整成在爆炸時釋放大量高能中子，同時減少炸飛瓦解的衝擊波和火焰破壞。結果就是建築物可能相對完整，但在裡面的人會因為強烈中子輻射而致命。中子容易被含氫材料（例如水）慢下來和吸收，因此近水的人可能受到較多吸收效應，但總體來說中子彈的特點是：對生命體的致命性比物理破壞更強。

核聚變也會有「連鎖」：聚變反應如何自我推進？

聚變反應本身也可以引發更多聚變：當兩個氫同位素聚變成氦時，會放出能量與高能中子。這些中子和產物會撞擊其他燃料，進一步加熱或產生次生反應，使得周遭的燃料更容易繼續聚變，形成一種由聚變粒子互相促進的過程。在武器中，這種自我加速的效果是致命的；在受控的發電實驗中，科學家試圖讓這種連鎖可控、連續、穩定地釋放能量。

受控核聚變發電的基本難點與目前策略

把核聚變變成和平用途——例如發電——核心難題是如何達到並維持「足夠高的溫度、密度與困束時間」。科學上把這三項的乘積稱為Lawson條件，可用一個生活比喻來理解：要讓一群跑得快的球員不斷碰撞，你既要讓球員跑得夠快（高溫）、讓球員夠多（密度）並且把他們留在同一個場地夠久（困束時間）。目前科學家主要用兩種方法嘗試：一是磁約束（像托卡馬克tokamak），用強磁場把帶電粒子「困」住，避免它們碰到裝置壁而冷卻；二是慣性約束（inertial confinement），用強大激光或粒子束瞬間把小顆燃料球猛烈壓縮和加熱，靠慣性短暫維持高溫高壓以引發聚變。這些方法至今都在克服能量輸入大於輸出的挑戰——科學家要的是凈正輸出（輸出能量大過投入能量）。

用簡單日常比喻整理重點

要點回顧：核聚變像是把兩個快跑的人（質子）逼得很近去抱在一起（變成氦），必須先讓他們跑夠快（極高溫）或把場地壓得很小（高壓），一旦抱在一起就會掉下一點質量，變成大量能量。太陽靠巨大的重力和高溫天然達成；氫彈則用原子彈瞬間產生極端條件來達到同樣效果。中子在聚變與裂變中扮演重要的穿透與能量傳遞角色，中子彈便是把這一點放大以產生特定戰術效果。最後，把核聚變變為發電，是把這一顆熊熊燃燒的火焰「馴服」成可控、持續且安全的能量來源——這需要高溫、高密度和長時間的困束，目前還在技術突破之中。

理解核聚變，不必被術語嚇倒。抓住「需要極高能量去克服靜電排斥、聚變後釋放大量能量、以及聚變在不同情境（太陽、武器、發電）下的不同控制方式」這三個主線，就能在日常新聞或討論中更清楚地判斷與思考相關議題。