高速運算模擬高溫電漿行為 國原院加速核融合研發進程

潔淨能源為全球科技重點發展項目之一，核融合能源以其清潔、安全與高效率特性，成為各國積極投入的研究領域。國科會「磁約束高溫電漿研究」整合型計畫於112年3月啟動，由國家原子能科技研究院主導，攜手成功大學太空與電漿科學研究所、清華大學及國網中心共同合作執行。

計畫目標為四年內完成台灣首座小型球形托卡馬克(Formosa Integrated Research Spherical Tokamak, FIRST)研究用實驗裝置，結合國內電漿專家智慧共同設計建造，並建置於國原院院區。此跨域合作不僅提升台灣在核融合研究的國際能見度，更為國內能源科技發展奠定重要基礎，透過產學研緊密協作，建立完整的核融合研究生態系，強化台灣在全球能源科技創新的競爭力。

核融合近年成為全球永續能源領域焦點技術。目前核融合技術仍面臨諸多挑戰，如何將電漿加熱至足夠高溫(約一萬電子伏特，相當於攝氏一億度)，並維持穩定運作狀態則是其中關鍵。傳統實驗方法不僅耗時耗資，設備調校與參數優化上也有所限制。由於電漿的高溫特性，導致直接量測極為困難，需對此開發特殊的診斷技術與監測系統，此外，電漿行為的複雜性與不確定性，也讓實驗設計和數據分析困難重重。

此計畫採用托卡馬克磁場約束核融合技術，透過精密的磁場設計達到電漿約束與加熱目的。成功大學團隊運用多年累積的電漿科學研究經驗，從理論分析到工程設計，建構完整的實驗系統。在硬體設施方面，採用最新的磁場線圈設計，配合先進的電源系統，以確保電漿的穩定約束。清華大學則發展先進的診斷與量測技術，包括各類探針系統、光譜分析儀器，以及高速資料擷取系統，確保實驗設施運作時，能即時且準確掌握電漿參數變化。在設施實體建置完成前，團隊已在實驗室進行初步驗證，透過小型原型設備測試關鍵組件性能，為後續大型設施運轉奠定堅實基礎。

國網中心在計畫中扮演關鍵角色，提供高效能運算資源與技術支援，協助研究團隊進行複雜的電漿行為模擬。由於電漿系統具有高度非線性特性，傳統實驗方法往往需要數週甚至數月才能完成數據分析。透過高速運算模擬，不僅能在實驗設計階段提供優化建議，更能在實驗後快速驗證結果，大幅提升研發效率。特別是在將局部模擬推展至全系統模擬時，計算資源的重要性更顯關鍵。國網中心不僅提供強大的運算能力，其專業團隊更引進專門的模擬程式，整合多物理場耦合效應，提供更完整的系統分析能力。此一數值模擬方法不僅具備高度成本效益，更能協助研究人員深入理解電漿物理機制，為實驗參數優化提供重要依據。此外，國網中心亦針對電漿即時控制以及數據分析引入人工智慧技術。人工智慧技術相較傳統物理模擬，速度快了許多，也是目前托卡馬克領域著重的新興項目之一，然而人工智慧模型預測的精準度仍是一個極大的挑戰。

對於未來規劃，計畫團隊將持續優化實驗設施設計，提升模擬精確度，並強化即時監測與控制能力。透過數值模擬與實驗數據的相互驗證，逐步建立完整的核融合研究能量。技術發展方面，首要側重於提升電漿溫度和密度的控制精度，目前計畫先以100電子伏特為目標，並持續開發更先進的診斷技術與加熱技術，以達到更高的實驗效能。同時在演算法方面精進人工智慧模型的訓練方法，以期達到即時自動控制的目標。

此計畫不僅展現台灣在高科技領域的研發實力，更為未來發展前瞻能源科技開創新局。藉由產學研各界的密切合作，期待能在核融合能源發展的國際舞台上，展現台灣的科研實力與創新潛力。未來，團隊也將積極尋求國際合作機會，參與全球核融合研究社群，為人類永續能源發展貢獻一己之力。

圖說：電漿模擬軟體模擬FIRST托卡馬克電漿隨時間的演化。


國說：FIRST托卡馬克腔體設計歷程。

圖說：電漿放射光量測技術可量測托卡馬克運轉時電漿放電之情形。