幾十年來，核聚變一直被吹捧為豐富、清潔電力的終極來源。如今，隨著世界面臨減少碳排放以防止災(zāi)難性氣候變化的需要，實現(xiàn)商業(yè)化核聚變發(fā)電具有新的重要性。
在以太陽能和風(fēng)能等低碳可變可再生能源 (VRE) 為主的電力系統(tǒng)中，每當(dāng)需求超過供應(yīng)時，例如當(dāng)太陽不照耀或風(fēng)不吹且儲能系統(tǒng)無法勝任時，就需要“穩(wěn)定”電力來源。在這樣一個未來電力系統(tǒng)中，核聚變發(fā)電廠 (FPP) 的潛在作用和價值是什么?該系統(tǒng)不僅沒有碳排放，而且還能夠滿足未來幾十年預(yù)計急劇增長的全球電力需求?
經(jīng)過一年半的合作，麻省理工學(xué)院能源計劃 (MITEI) 和麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心 (PSFC) 的研究人員一直在合作解答這個問題。他們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)其未來的成本和性能，聚變可能對脫碳至關(guān)重要。在某些情況下，F(xiàn)PP 的可用性可以將全球脫碳成本降低數(shù)萬億美元。
超過 25 位專家共同研究了影響 FPP 部署的因素，包括成本、氣候政策、運營特性和其他因素。他們在一份題為“聚變能源在脫碳電力系統(tǒng)中的作用”的新報告中介紹了他們的研究結(jié)果。
“目前，從私營部門到政府再到普通公眾，許多方面都對聚變能源非常感興趣，”這項研究的首席研究員 (PI) 羅伯特·C·阿姆斯特朗 (Robert C. Armstrong) 說道，他是 MITEI 的前主任和雪佛龍化學(xué)工程名譽教授。“在進(jìn)行這項研究時，我們的目標(biāo)是提供一份平衡的、基于事實的、以分析為導(dǎo)向的指南，以幫助我們所有人了解未來聚變的前景。”
因此，該研究采用多學(xué)科方法，結(jié)合經(jīng)濟(jì)建模、電網(wǎng)建模、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等，研究可能影響未來聚變能源部署和利用的重要因素。MITEI 的研究人員提供了能源系統(tǒng)建模能力，而 PSFC 參與者提供了聚變專業(yè)知識。
聚變技術(shù)距離商業(yè)部署可能還需要十年時間，因此目前尚不清楚未來商用 FPP 的詳細(xì)技術(shù)和成本。因此，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊專注于確定聚變電站在 2050 年之前必須達(dá)到何種成本水平，才能實現(xiàn)強大的市場滲透，并為本世紀(jì)下半葉全球電力供應(yīng)脫碳做出重大貢獻(xiàn)。
在電網(wǎng)中配備 FPP 的價值將取決于有哪些其他可用選項，因此為了進(jìn)行分析，研究人員需要估算這些選項的未來成本和性能，包括傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電機、核裂變發(fā)電廠、VRE 發(fā)電機和儲能技術(shù)，以及世界特定地區(qū)的電力需求。為了找到最可靠的數(shù)據(jù)，他們搜索了已發(fā)表的文獻(xiàn)以及之前的 MITEI 和 PSFC 分析結(jié)果。
總體而言，分析表明，雖然利用聚變能的技術(shù)需求非常巨大，但將這種穩(wěn)固的低碳技術(shù)納入世界能源選擇組合中，其潛在的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境回報也同樣巨大。
或許最引人注目的發(fā)現(xiàn)是商用FPP的“社會價值”。
“將升溫限制在 1.5 攝氏度需要全世界投資風(fēng)能、太陽能、儲能、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施以及電力系統(tǒng)脫碳所需的一切，”核聚變研究執(zhí)行主任兼 MITEI 研究主任蘭德爾·菲爾德 (Randall Field) 解釋道。“當(dāng) FPP 成為清潔、穩(wěn)定的電力來源時，這項任務(wù)的成本可以低得多。”
此外，收益取決于 FPP 的成本。例如，假設(shè) 2050 年建造 FPP 的成本為每千瓦 (kW) 8,000 美元，到 2100 年降至 4,300 美元/kW，那么全球電力脫碳成本將下降 3.6 萬億美元。如果 2050 年 FPP 的成本為每千瓦 5,600 美元，到 2100 年降至每千瓦 3,000 美元，那么建造核聚變電廠將節(jié)省 8.7 萬億美元。(這些計算基于全球國內(nèi)生產(chǎn)總值的差異，并假設(shè)折現(xiàn)率為 6%。未折現(xiàn)值大約是 20 倍。)
其他分析的目標(biāo)是確定在選定的 FPP 成本下全球部署的規(guī)模。結(jié)果同樣令人震驚。對于深度脫碳情景，如果核聚變成本高，2100 年全球核聚變發(fā)電總量將占不到 10%;如果核聚變成本低，則占 50% 以上。
其他分析顯示，核聚變部署的規(guī)模和時間在世界各地有所不同。歐洲和美國等富裕國家有望率先部署核聚變，因為這些國家擁有最積極的脫碳政策。但某些其他地區(qū)——例如印度和非洲大陸——將在本世紀(jì)下半葉實現(xiàn)核聚變部署的大幅增長，因為屆時對電力的需求將大幅增加。
麻省理工學(xué)院可持續(xù)發(fā)展科學(xué)與戰(zhàn)略中心副主任、麻省理工學(xué)院高級研究員謝爾蓋·帕爾采夫 (Sergey Paltsev) 解釋說：“在美國和歐洲，需求增長幅度將很低，因此這將是一個從污染燃料轉(zhuǎn)向核聚變的問題。但例如在印度和非洲，本世紀(jì)后期，總體電力需求的大幅增長將通過大量核聚變以及其他低碳發(fā)電資源來滿足。”
一組針對美國九個次區(qū)域的分析顯示，其他低碳技術(shù)的可用性和成本，以及碳排放限制的嚴(yán)格程度，對 FPP 的部署和使用方式有著重大影響。在脫碳世界中，F(xiàn)PP 在可再生資源多樣性、容量和質(zhì)量較差的地區(qū)將具有最高的普及率，而限制碳排放將產(chǎn)生重大影響。
例如，大西洋和東南次區(qū)域可再生資源較少。在這些次區(qū)域，即使最大限度地增加陸上風(fēng)力發(fā)電量，風(fēng)力發(fā)電也只能產(chǎn)生所需電力的一小部分。因此，即使碳排放限制相對寬松，并且任何可用的 FPP 大部分時間都在運行，這些次區(qū)域也需要核聚變發(fā)電。
相比之下，美國中部地區(qū)擁有豐富的可再生資源，尤其是風(fēng)能。因此，只有在碳排放限制非常嚴(yán)格的情況下，核聚變才能在中部地區(qū)展開競爭，而 FPP 通常只有在可再生能源無法滿足需求時才會運行。
對為新英格蘭各州服務(wù)的電力系統(tǒng)的分析提供了非常詳細(xì)的結(jié)果。使用 MITEI 開發(fā)的建模工具，核聚變團(tuán)隊探索了使用不同假設(shè)的影響，這些假設(shè)不僅涉及成本和排放限制，甚至還涉及影響特定 VRE 使用的潛在土地使用限制等細(xì)節(jié)。這種方法使他們能夠計算出開始安裝核聚變裝置的 FPP 成本。
他們還能夠調(diào)查“門檻”成本如何隨著碳排放上限的變化而變化。該方法甚至可以顯示 FPP 開始取代其他特定發(fā)電來源的價格。在一組運行中，他們確定了 FPP 開始取代浮動平臺海上風(fēng)電和屋頂太陽能的成本。
“這項研究對核聚變商業(yè)化做出了重要貢獻(xiàn)，因為它為核聚變在電力市場的使用提供了經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，”核聚變研究的聯(lián)合負(fù)責(zé)人、PSFC 前主任、日立美國核科學(xué)與工程系工程教授 Dennis G. Whyte 指出。“它更好地量化了核聚變開發(fā)商在定價、可用性和靈活性方面面臨的技術(shù)設(shè)計挑戰(zhàn)，以滿足未來不斷變化的需求。”
研究人員強調(diào)，雖然分析中包括了裂變發(fā)電廠，但他們并沒有對裂變和聚變進(jìn)行“面對面”比較，因為還有太多未知數(shù)。聚變和核裂變都是可靠的低碳發(fā)電技術(shù);但與裂變不同，聚變不使用裂變材料作為燃料，也不會產(chǎn)生必須管理的長壽命核燃料廢料。
因此，F(xiàn)PP 的監(jiān)管要求與當(dāng)今裂變發(fā)電廠的監(jiān)管要求將大不相同，但具體差異尚不清楚。同樣，未來公眾對每種技術(shù)的看法和社會接受程度無法預(yù)測，但可能會對使用哪種發(fā)電技術(shù)來滿足未來需求產(chǎn)生重大影響。
研究結(jié)果傳達(dá)了有關(guān)核聚變未來的一些信息。例如，監(jiān)管顯然可能成為一個巨大的成本驅(qū)動因素。這應(yīng)該促使核聚變公司盡量減少燃料和活性材料方面的監(jiān)管和環(huán)境足跡。它還應(yīng)該鼓勵政府采取適當(dāng)和有效的監(jiān)管政策，以最大限度地提高利用核聚變能源實現(xiàn)脫碳目標(biāo)的能力。
對于開發(fā)聚變技術(shù)的公司來說，該研究的信息在報告中明確闡述：“如果本報告中確定的成本和性能目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)，我們的分析表明，聚變能可以在滿足未來電力需求和實現(xiàn)全球凈零碳目標(biāo)方面發(fā)揮重要作用。”
