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几十年来，核聚变一直被吹捧为丰富、清洁电力的终极来源。如今，随着世界面临减少碳排放以防止灾难性气候变化的需要，实现商业化核聚变发电具有新的重要性。
在以太阳能和风能等低碳可变可再生能源 (VRE) 为主的电力系统中，每当需求超过供应时，例如当太阳不照耀或风不吹且储能系统无法胜任时，就需要“稳定”电力来源。在这样一个未来电力系统中，核聚变发电厂 (FPP) 的潜在作用和价值是什么？该系统不仅没有碳排放，而且还能够满足未来几十年预计急剧增长的全球电力需求？
经过一年半的合作，麻省理工学院能源计划 (MITEI) 和麻省理工学院等离子体科学与聚变中心 (PSFC) 的研究人员一直在合作解答这个问题。他们发现，根据其未来的成本和性能，聚变可能对脱碳至关重要。在某些情况下，FPP 的可用性可以将全球脱碳成本降低数万亿美元。
超过 25 位专家共同研究了影响 FPP 部署的因素，包括成本、气候政策、运营特性和其他因素。他们在一份题为“聚变能源在脱碳电力系统中的作用”的新报告中介绍了他们的研究结果。
“目前，从私营部门到政府再到普通公众，许多方面都对聚变能源非常感兴趣，”这项研究的首席研究员 (PI) 罗伯特·C·阿姆斯特朗 (Robert C. Armstrong) 说道，他是 MITEI 的前主任和雪佛龙化学工程名誉教授。“在进行这项研究时，我们的目标是提供一份平衡的、基于事实的、以分析为导向的指南，以帮助我们所有人了解未来聚变的前景。”
因此，该研究采用多学科方法，结合经济建模、电网建模、技术经济分析等，研究可能影响未来聚变能源部署和利用的重要因素。MITEI 的研究人员提供了能源系统建模能力，而 PSFC 参与者提供了聚变专业知识。
聚变技术距离商业部署可能还需要十年时间，因此目前尚不清楚未来商用 FPP 的详细技术和成本。因此，麻省理工学院的研究团队专注于确定聚变电站在 2050 年之前必须达到何种成本水平，才能实现强大的市场渗透，并为本世纪下半叶全球电力供应脱碳做出重大贡献。
在电网中配备 FPP 的价值将取决于有哪些其他可用选项，因此为了进行分析，研究人员需要估算这些选项的未来成本和性能，包括传统化石燃料发电机、核裂变发电厂、VRE 发电机和储能技术，以及世界特定地区的电力需求。为了找到最可靠的数据，他们搜索了已发表的文献以及之前的 MITEI 和 PSFC 分析结果。
总体而言，分析表明，虽然利用聚变能的技术需求非常巨大，但将这种稳固的低碳技术纳入世界能源选择组合中，其潜在的经济和环境回报也同样巨大。
或许最引人注目的发现是商用FPP的“社会价值”。
“将升温限制在 1.5 摄氏度需要全世界投资风能、太阳能、储能、电网基础设施以及电力系统脱碳所需的一切，”核聚变研究执行主任兼 MITEI 研究主任兰德尔·菲尔德 (Randall Field) 解释道。“当 FPP 成为清洁、稳定的电力来源时，这项任务的成本可以低得多。”
此外，收益取决于 FPP 的成本。例如，假设 2050 年建造 FPP 的成本为每千瓦 (kW) 8,000 美元，到 2100 年降至 4,300 美元/kW，那么全球电力脱碳成本将下降 3.6 万亿美元。如果 2050 年 FPP 的成本为每千瓦 5,600 美元，到 2100 年降至每千瓦 3,000 美元，那么建造核聚变电厂将节省 8.7 万亿美元。（这些计算基于全球国内生产总值的差异，并假设折现率为 6%。未折现值大约是 20 倍。）
其他分析的目标是确定在选定的 FPP 成本下全球部署的规模。结果同样令人震惊。对于深度脱碳情景，如果核聚变成本高，2100 年全球核聚变发电总量将占不到 10%；如果核聚变成本低，则占 50% 以上。
其他分析显示，核聚变部署的规模和时间在世界各地有所不同。欧洲和美国等富裕国家有望率先部署核聚变，因为这些国家拥有最积极的脱碳政策。但某些其他地区——例如印度和非洲大陆——将在本世纪下半叶实现核聚变部署的大幅增长，因为届时对电力的需求将大幅增加。
麻省理工学院可持续发展科学与战略中心副主任、麻省理工学院高级研究员谢尔盖·帕尔采夫 (Sergey Paltsev) 解释说：“在美国和欧洲，需求增长幅度将很低，因此这将是一个从污染燃料转向核聚变的问题。但例如在印度和非洲，本世纪后期，总体电力需求的大幅增长将通过大量核聚变以及其他低碳发电资源来满足。”
一组针对美国九个次区域的分析显示，其他低碳技术的可用性和成本，以及碳排放限制的严格程度，对 FPP 的部署和使用方式有着重大影响。在脱碳世界中，FPP 在可再生资源多样性、容量和质量较差的地区将具有最高的普及率，而限制碳排放将产生重大影响。
例如，大西洋和东南次区域可再生资源较少。在这些次区域，即使最大限度地增加陆上风力发电量，风力发电也只能产生所需电力的一小部分。因此，即使碳排放限制相对宽松，并且任何可用的 FPP 大部分时间都在运行，这些次区域也需要核聚变发电。
相比之下，美国中部地区拥有丰富的可再生资源，尤其是风能。因此，只有在碳排放限制非常严格的情况下，核聚变才能在中部地区展开竞争，而 FPP 通常只有在可再生能源无法满足需求时才会运行。
对为新英格兰各州服务的电力系统的分析提供了非常详细的结果。使用 MITEI 开发的建模工具，核聚变团队探索了使用不同假设的影响，这些假设不仅涉及成本和排放限制，甚至还涉及影响特定 VRE 使用的潜在土地使用限制等细节。这种方法使他们能够计算出开始安装核聚变装置的 FPP 成本。
他们还能够调查“门槛”成本如何随着碳排放上限的变化而变化。该方法甚至可以显示 FPP 开始取代其他特定发电来源的价格。在一组运行中，他们确定了 FPP 开始取代浮动平台海上风电和屋顶太阳能的成本。
“这项研究对核聚变商业化做出了重要贡献，因为它为核聚变在电力市场的使用提供了经济目标，”核聚变研究的联合负责人、PSFC 前主任、日立美国核科学与工程系工程教授 Dennis G. Whyte 指出。“它更好地量化了核聚变开发商在定价、可用性和灵活性方面面临的技术设计挑战，以满足未来不断变化的需求。”
研究人员强调，虽然分析中包括了裂变发电厂，但他们并没有对裂变和聚变进行“面对面”比较，因为还有太多未知数。聚变和核裂变都是可靠的低碳发电技术；但与裂变不同，聚变不使用裂变材料作为燃料，也不会产生必须管理的长寿命核燃料废料。
因此，FPP 的监管要求与当今裂变发电厂的监管要求将大不相同，但具体差异尚不清楚。同样，未来公众对每种技术的看法和社会接受程度无法预测，但可能会对使用哪种发电技术来满足未来需求产生重大影响。
研究结果传达了有关核聚变未来的一些信息。例如，监管显然可能成为一个巨大的成本驱动因素。这应该促使核聚变公司尽量减少燃料和活性材料方面的监管和环境足迹。它还应该鼓励政府采取适当和有效的监管政策，以最大限度地提高利用核聚变能源实现脱碳目标的能力。
对于开发聚变技术的公司来说，该研究的信息在报告中明确阐述：“如果本报告中确定的成本和性能目标能够实现，我们的分析表明，聚变能可以在满足未来电力需求和实现全球净零碳目标方面发挥重要作用。”
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发表于 2024-10-28 22:57:44