ARK:《核能：裂变还是聚变？》

英文标题：Nuclear Power: Fission Or Fusion?

2024年11月20日

作者：Daniel Maguire，ACA

01 导言

          

随着 20 多个国家承诺到 2050 年将核能发电能力提高两倍，核能正重新获得投资者和媒体的关注。人工智能数据中心的蓬勃发展正激励着谷歌、亚马逊、Meta、OpenAI和微软等科技巨头探索核能作为清洁能源的可能性。继与私营核聚变公司 Helion 签订购电协议（PPA）之后，微软最近又宣布了另一项购电协议，旨在修复三里岛 1 号机组裂变核设施，为期 20 年。

          

核能的两种基本形式是裂变和聚变，如下图所示。根据 ARK 的研究，核聚变仍面临重大挑战，这使得自 20 世纪 50 年代以来一直为美国电网供电的核裂变成为更可行的替代能源。

          

              

与核裂变相比，核聚变能源因其清洁、安全和更高的能量密度而备受赞誉，但如下图所示，在过去的约 40 年中，核聚变能源一直处于 “30 年之后”。

          

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根据 ARK 的研究，核聚变在进入黄金时代之前必须达到三个里程碑：科学盈亏平衡、工程盈亏平衡和商业盈亏平衡，如下图所示。

          

 

02 科学和工程盈亏平衡

          

科学上的盈亏平衡--也称为 “Q>1”--是指输出功率与为产生该输出功率而注入燃料的功率之比。2022 年 12 月，国家点火装置（NIF）首次实现了核聚变的科学盈亏平衡。虽然他们确实达到了一个重要的科学里程碑，但核聚变反应只持续了几十亿分之一秒，并损失了引起反应所需的约 99% 的能量，如下图所示。专家们一致认为，这种核聚变方法不太可能达到商业可行性所需的效率。

          

          

磁约束核聚变（MCF）是一种至少在理论上可以实现商业可行性的方法。然而，尽管进行了约 75 年的研究，磁约束核聚变仍未实现科学上的盈亏平衡（Q>1），如下图所示。目前的记录是欧洲联合环（JET）于 1997 年创下的约 0.67 的 Q 值。展望未来，大型国际热核实验反应堆 (ITER) 项目的目标是到 2039 年达到 10 的 Q 值。20 也就是说，虽然 NIF 实现了科学盈亏平衡，但还没有任何项目达到工程盈亏平衡。

              

          

03 商业盈亏平衡

          

即使科学和工程方面的挑战都能得到解决，商业上的盈亏平衡也会因以下几个原因而变得十分困难。

          

首先，核聚变的关键燃料--氚--在自然界几乎不存在，它主要是重水反应堆核裂变的副产品。事实上，根据监管和技术力量，重水反应堆和相关的氚很可能在 2060 年之前逐渐消失。虽然核聚变反应堆在运行过程中也能产生氚，但它们需要一定的供应才能启动，而且不太可能产生足够的氚来自我维持。另一个监管方面的考虑因素是，核管理委员会（NRC）尚未最终确定核聚变反应堆的指南，而目前的研究表明，从成本上看，核聚变与现有能源相比可能不具竞争力。

              

尽管存在这些障碍，仍有约 45 家私营核聚变公司正在寻求这一机会。其中，英联邦核聚变系统公司（CFS）最有希望。CFS 的目标是利用其 SPARC 反应堆，在 ~2027 年实现 Q>1 的目标，比国际热核聚变实验堆（ITER）提前十多年。高温超导磁体可使 SPARC 以 40 分之一的体积达到 ITER 的性能。

          

我们认为，工程盈亏平衡是目前需要关注的关键变量。尽管私营公司追求科学上的盈亏平衡令人兴奋，但裂变的历史表明，核聚变装置的商业化还需要大约 15 年的时间，如下图所示。

          

          

尽管如此，由于核扩散风险较低，核聚变的商业化可能比裂变更快，特别是在研究突破更快、法规更简化的情况下。

          

04 结论    

          

考虑到核聚变在科学、工程和商业方面面临的巨大障碍，核裂变似乎为满足全球日益增长的电力需求提供了一个更有前景的核解决方案。自 20 世纪 50 年代以来，核裂变一直为美国电网提供可靠的电力供应，它很可能成为到 2050 年推动全球经济实现净零排放的核技术。当然，在此期间，我们将继续关注核聚变在实现这一目标方面的进展。

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