《核融合，確保21 世紀美國的主導地位的關鍵技術》由美國核融合能源規模發展委員會發佈，聚焦美國核融合能源發展，核心在於強調核融合對美國的重要性，為美國制定發展戰略和行動方案。
今天，作為核融合能源規模發展委員會的聯合主席，我們特此強調核融合能源有望成為美國未來能源基石的巨大潛力。核融合能源，這項為太陽提供能量的過程，具有重塑全球能源格局、鞏固美國在21 世紀領導地位的變革性力量。利用核融合產生電能和製程熱能，將是改變遊戲規則的關鍵：它本質安全、穩定可靠、清潔環保，並且在國內電力需求迅速增長的當下，能夠增強美國電網的韌性和可靠性。
當下採取的行動能夠加速核融合商業化處理程序，使該技術最早在未來十年實現規模化應用。核融合能源為美國提供了實現能源獨立、提升技術經濟競爭力的獨特機會。尤其是隨著人工智慧（AI）的發展，以及各行業的電氣化程度不斷提高，美國的能源需求正攀升至前所未有的水平，這一機會顯得更為珍貴。
掌握這些革命性技術，不僅能加強美國的能源安全，也將推動能源、國防、超級運算等主要成長領域的創新與生產力提升。鑑於中國在核融合研發領域投入巨額資金，美國必須果斷行動，以保持競爭優勢，確保在這場制定行業標準、佔領全球核融合技術市場的競賽中，獲勝的是我們，而不是對手或國際競爭者。
美國的創新能力已多次證明，特別是在長期戰略和公私合作的推動下，看似難以克服的問題也能迎刃而解。我們攻克了多種疾病，將人類送上了月球，也建造了為美國西部供電的水力發電廠大壩。
如今，我們比以往任何時候都更接近在地球上利用恆星的能量。實現核融合能源的商業化，需要跨部門的合作，以應對科學、監管和後勤方面的挑戰。制定協調一致的國家戰略，充分發揮美國自由企業體制的力量，是美國向世界提供核融合能源的必經之路。
本委員會的工作目標，是為美國實現大規模核融合商業發電規劃清晰的路線。我們感謝每一位委員貢獻的時間和專業知識，並期待看到提出的建議，為美國核融合發展指明方向。
核融合能源有望讓人類在地球上利用並駕馭恆星的能量。核融合是將輕原子核（通常是氫的同位素）置於高溫高壓之下，使其合併成新的元素，並釋放出巨大的能量。幾十年來，科學家和工程師一直在探索各種技術途徑來攻克這個難題。大多數方法涉及使用磁鐵、雷射，或兩者的某種組合。 2022 年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家們，透過釋放出比反應輸入更多的能量，實現了“點火”，證明了核融合的科學可行性。
核融合的燃料來源豐富，不受稀缺性或地理條件的限制。這為21 世紀開啟了一種全新、安全的能源生產方式。當核融合裝置連接到美國電網，核融合能源將成為國家實力的來源。它能夠推動人工智慧驅動的經濟發展，保障國內能源安全，並重塑能源地緣政治格局，使先發國家獲得顯著優勢。核融合的巨大潛力，正推動全球實現核融合能源的努力。特別是美國的競爭對手中國，在為核融合商業化快速發展奠定基礎方面，已經取得了顯著進展。
核融合能源可以提供支援人工智慧、回遷製造業和其他高耗能技術發展所需的大量可靠電力。隨著人工智慧超大規模資料中心，越來越多地尋求穩定的能源技術為其運算基礎設施供電，在未來十年，核融合能源可以與先進核反應器、地熱能等其他能源一起，滿足這些不斷增長的能源需求。
核融合能源還可以帶來變革性的經濟成長，降低消費者的能源成本。預計到2050 年，光是核融合能源市場規模就將超過1 兆美元。核融合與人工智慧結合，將為美國的技術經濟實力打造強大的驅動力。人工智慧已經在加速核融合發展中發揮了關鍵作用，推動了物理學、材料科學以及雷射和磁鐵技術的突破，催生了蓬勃發展的新創企業生態系統。隨著人工智慧能力的不斷提升，它將繼續加速核融合研發。一旦核融合發電廠投入使用，將為下一代人工智慧模式提供動力，進一步鞏固美國在人工智慧領域的領先地位。最後，核融合的支援技術有望在整個經濟領域創造就業機會，並推動航空航太、國防、醫學等領域的創新。
除了經濟效益，核融合能源也可能重新定義全球地緣政治。那些能夠自主發展核融合能源的國家，將能夠抵禦與其他能源相關的地緣政治壓力和供應鏈問題，而出口核融合技術將帶來地緣政治優勢。核融合的燃料來源可能來自海水、鋰等廣泛存在的資源，為實現能源獨立開闢新途徑。最後，核融合還可以支援先進的國防技術，推動核子儲備管理的創新，為軍事和太空設施提供潛在動力，並有助於維持整體技術優勢。
經過聯邦政府數十年對基礎研究的投資，美國科學家現在證明核融合是可行的。不斷增長的能源需求、近期的技術突破，以及能源市場動態的變化，為核融合能源的發展創造了獨特機會。對核融合的重大投入，可望確保美國在未來幾十年繼續保持技術超級大國的地位。
自曼哈頓計畫以來，美國在核融合能源科學領域一直處於世界領先地位。美國的大學不斷吸引全球頂尖人才，其中許多人創立瞭如今領先的核融合公司。美國國家實驗室率先證明了核融合的科學可行性。然而，儘管擁有卓越的科學傳統，但在核融合從實驗科學轉變為商業現實的過程中，美國卻準備不足。
要在具有競爭力的時間內實現核融合能源的應用，僅僅克服關鍵科學障礙是不夠的。這需要一種與美國目前截然不同的策略，即優先考慮商業化，並最佳化美國在核融合領域的投入。儘管近年來美國在戰略、基礎設施和投資方面取得了進展，但這些進展不足以在競爭中充分發揮核融合能源的潛力。美國核融合發展現況的評估顯示：
- 策略：儘管美國近期的戰略舉措，如2022 年的“大膽十年願景”，致力於推動核聚變商業化，但在將宏偉目標轉化為緊迫、具體、可執行的政策和計畫方面仍有不足。美國能源部2024 年核融合能源策略著重於三個支柱：縮小試點工廠的技術差距、實現永續部署，以及建立外部合作夥伴關係。以美國國家航空暨太空總署商業軌道運輸服務（COTS）計畫為藍本的“基於里程碑的核融合發展計畫”，試圖透過設定離散的技術里程碑來降低投資風險，以獲取政府資金。其他計畫還包括核融合創新研究引擎（FIRE）合作項目，為私人公司提供無法自行開發的測試基礎設施；核融合能源創新網路（INFUSE），提供技術和資金支援；以及最近的私營設施研究（PFR）計畫，允許在私人核融合設施進行公共研究。然而，這些項目的撥款低於國會授權水準。由於未能實施許多戰略文件，如美國能源部核融合長期規劃中提出的關鍵建議，導致美國核融合生態系統不完善，而中國正迅速填補這些空缺。
- 科學突破：2022 年12 月，經過十年的艱苦努力，美國國家點火裝置（NIF）的科學家們實現了長期追求的里程碑，即核聚變反應產生的能量超過了用於引發反應的雷射能量（Q>1）。事實上，核融合過程本身成為了核融合燃料的主要熱源，標誌著真正的點火。自那以後，NIF 的科學家們多次實現點火，而其他裝置尚未成功複製這項成果。 NIF 的突破標誌著商業核融合競賽的開始，但前方仍面臨許多科學和工程挑戰。科學界已經確定了一系列研發基礎設施，透過前期投資，將有助於解決這些挑戰，釋放核融合的經濟潛力。關鍵障礙包括維持和穩定燃燒的等離子體、提高能量增益、開發能夠承受輻射和極端高溫的組件，以及培育和回收氚以作為反應燃料。除了硬體和基礎設施，美國在等離子體的電腦模擬方面也取得了顯著進展，且大多成果來自美國。模擬推動了新概念的發明，例如普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的球形託卡馬克NSTX-U。美國也在多個核融合領域應用人工智慧，包括PPPL 的人工智慧平台，用於即時預測和防止等離子體不穩定性。先進模擬和人工智慧的結合，可望進一步加速優化核融合設計的開發，大幅加快實現實用核融合能源的進程。
- 供應鏈：儘管美國核融合供應鏈仍不發達，但主要挑戰集中在對長期採購承諾的可見性有限（這將決定所需的供應鏈），以及專業技能短缺。雖然核融合裝置對原料的依賴程度低於太陽能、風能或電池產業，但它們對某些特殊零件（通常從中國採購）的依賴仍然存在風險。如果沒有更強烈的需求訊號，以及更強大的國內加工和製造能力，美國可能會將核融合供應鏈的主導權讓給中國。
- 基礎設施發展：甚至在實現點火里程碑之前，美國能源部就已根據行業意見發布了一份路線圖，概述了商業核融合所需的基礎設施。然而，隨著時間的推移，中國正在建設美國曾經設想的基礎設施，而美國由於缺乏資金、權威結構和協調領導，至今未能實施。
- 公私資金投入：2024 年，美國國會為美國能源部核融合能源科學（FES）計畫撥款7.9 億美元，過去五年的平均撥款為7.28 億美元，其中大部分用於支援國際熱核聚變實驗堆（ITER）等傳統項目，ITER 是一個旨在建造大型託卡馬克裝置的國際合作項目。美國能源部支援一些專注於核融合商業化的項目，但這些項目的資金並未完全到位。此外，2024 年美國國內核融合能源計畫共獲得2.3 億美元資金，而美國對ITER 的資助為2.4 億美元。實際上，實現點火的政府資金並非來自美國能源部的核融合科學任務，而是美國國家核安管理局（NNSA）在核武儲備管理任務支出中的附帶收益。最重要的是，美國培育了一流的私人核融合產業，全球45 家活躍的核融合公司中有25 家設在美國，在過去十年裡，美國吸引了全球90 多億美元私人核融合投資中的60 多億美元。然而，中國對核融合商業化的公共支援仍超過美國。
中國已成為全球核融合能源發展的主導力量，在許多方面超越了美國。中國的核融合發展策略包括建立先進的基礎設施、推動科學突破，並努力在全球核融合能源供應鏈中佔據主導地位。
- 策略：中國對追趕核融合發展的決心，體現在其對核融合研發的資金投入，以及在其他硬體密集型技術領域創新模式的成功。中國已經在建構涵蓋核融合發展各階段的基礎設施路線圖。此外，目前中國的許多核融合活動在省級層級開展，北京的自上而下協調相對有限。如果核融合能源在2025 年底發布的中國「十五五」 規劃中佔據更重要的位置，這將轉化為更強有力的政策指令，推動核融合技術的進步。
- 科學突破：沒有證據表明中國已通過慣性約束（即基於雷射）的方法實現點火，像2022 年勞倫斯利弗莫爾國家實驗室那樣，並且中國的核聚變生態系統在雷射核聚變和等離子體物理方面仍落後於美國。然而，中國正大力押注磁約束核融合，並相應地調配資源，即使沒有北京的全面支援。 2025 年，東方超環（EAST）託卡馬克創造了新的記錄，實現了託卡馬克裝置最長時間的等離子體放電。他們的下一個計畫－ 未來聚變實驗裝置（BEST），計畫於2027 年開始運作。此外，中國培養的核融合領域博士畢業生數量是美國的十倍，2023 年中國申請的核融合專利數量也超過了美國。儘管中國在核融合模擬或人工智慧在核融合中的應用方面尚未取得重大突破，但這種情況極有可能改變。
- 基礎建設發展：中國正在建設一套全面的核融合商業化基礎設施。項目包括造價7 億美元的核融合技術綜合研究設施（CRAFT）園區，將於2025 年底竣工；以及中國聚變工程試驗堆（CFETR），目標是在2030 年代初實現千兆瓦級的核聚變功率輸出，能量增益超過30。2023 年底，兩家裂國有一個聯合在堆西聚變企業宣佈聯合在堆西聚變國 100 兆瓦的混合反應。此外，研究人員表示，計劃到2030 年使用擬建的Z 箍縮聚變- 裂變混合反應器實現單次100 兆焦的能量輸出。最近有通報稱，中國正在綿陽興建一個類似美國國家點火裝置（NIF）的核融合研究設施。一個雷射功率顯著更高的NIF 式裝置，可能能夠透過多種實驗實現點火。
- 供應鏈：中國正在打造未來的核融合供應鏈。中國借鑑了其在太陽能面板市場的成功策略，透過持續的政府支援、規模經濟和迭代技術進步，推動核融合的商業部署。中國不僅在研究方面取得進展，還透過取得關鍵材料和零件，努力控制核融合供應鏈的部分環節。核融合供應鏈的某些部分可能會受到中國的控制。例如，鎢是用於內襯核融合裝置內壁的主要候選材料，中國控制著全球一半以上的鎢儲量，並且生產全球80% 的鎢供應。此外，中國還有可能接管用於核融合發生器的高功率半導體供應鏈，這是一些核融合公司的主要需求。
- 公私資金投入：儘管美國在私人核融合投資方面領先，但中國已經建立了更一體化的資金生態系統。據報導，中國政府去年在核融合領域投資約15 億美元（是美國的兩倍），中國核融合企業的股權融資總額達24.9 億美元。
中國在研發方面投入大量資金，不僅是為了在能源領域領先，也是為了推動其在人工智慧、先進製造和軍事創新等領域的全球主導地位。隨著中國對稀土礦產的控制加強，以及在關鍵能源供應鏈中的影響力不斷擴大，中國預計將超越美國，重新定義全球權力平衡。
美國不能跟隨，必須引領。只有美國具備創業精神和科學人才，能夠將核融合從科學突破轉化為商業現實。
美國和中國並非唯一致力於開發商業核融合的國家。以下國家也成為關鍵參與者：
- 英國：專注於開發核融合發電廠，以球形託卡馬克能源生產（STEP）計畫為代表，並在監管和資金方面為創新提供有力支援。這項策略在很大程度上依賴普林斯頓的國家球形託卡馬克實驗升級裝置（NSTX-U）來實現良好的核融合性能，美英在該技術上的緊密合作協議就是證明。英國也是迄今為止最成功的實驗託卡馬克裝置－ 歐洲聯合環（JET）的所在地，該裝置於2023 年12 月停止運作。
- 歐盟：優先進行大規模核融合研究和示範項目，包括位於法國的國際熱核融合實驗堆（ITER）的重大貢獻，以及計畫中的示範發電廠（DEMO）項目。法國還擁有穩態鎢環境託卡馬克（WEST）反應堆，其等離子體放電時間超過了EAST，儘管溫度較低。世界上最大的仿星器（另一種磁約束方法）是德國馬克斯・普朗克研究所的文德爾施泰因7-X 反應器。
- 日本：專注於先進核融合技術的開發，進行了JT-60SA 和先進超導託卡馬克核融合（FAST）等項目，目標是在2030 年代實現核融合發電示範。
- 韓國：在高溫等離子體研究和長約束時間方面表現出色，以韓國超導託卡馬克先進研究裝置（KSTAR）為代表，並在其核融合發展路線圖上投入大量資金。
- 俄羅斯：著重於聚變- 裂變混合技術，以及利用T-15MD 託卡馬克進行實驗等離子體研究，不過其全球合作相對有限。
到目前為止，有幾種機制塑造了國際核融合合作：
- 多邊科學合作：國際熱核聚變實驗堆（ITER）是國際核融合科學合作的基石，它匯聚了35 個國家，共同建造世界上最大的託卡馬克裝置及配套基礎設施。國際原子能總署（IAEA）透過提供技術援助、安全標準和包括核融合在內的核能資訊共享平台，對這項工作起到了補充作用。
- 雙邊合作：美國最近與英國和日本的合作，重點在於共享設施、協調法規，以及增強供應鏈彈性。這些合作可以加快進展、降低成本，並抵消中國的一體化發展模式帶來的影響。
- 公私合作：像京都核融合公司與In-Q-Tel 的合作，以及英美兩國5,140 萬美元的託卡馬克能源計畫等公私合作案例，凸顯了私部門在推動國際合作中日益重要的角色。這些措施可望促進知識交流、分擔大量開發成本，並塑造標準和安全協議。
雖然許多國家都為核融合生態系統做出了貢獻，但美國和中國將塑造這項變革性技術的未來。為了維持優勢，美國必須制定戰略，增強國內能力，並與志同道合的國家建立戰略夥伴關係，以引領核融合競賽。 （歐米伽未來研究所2025）