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能源政策149(2021)112043重新年.CbackMc.*rr!.聚变在可再生能源能源结构中的作用T例如:尼古拉斯、T.P.戴维斯、F.费德里奇、J.利兰、BS帕特尔、C.文森特、S.H.沃德Jb-约克等离子体研究i,物理系,约克大学,黑斯灵顿,的克,YOlO5DO,英国6牛津大学材料系.帕克斯路,牛津,OXl3PH,英国ABSTRACT的RTlCLE关键词I聚变核能感知企业资源脱碳负投跟踪浪费资源J利物浦大学电气工程与电子系.利麴浦.L693GL英国.英馆达勒姆小达勒姆大学物理系高级仪器中心聚变能源通常被认为是解决世界能源需求的长期方案。然而，即使在解抉了关键的研究挑战之后，工程和材料科学仍然会对聚变电站的特性施加重大限制,与此同时，全球能源网必须在2050年前向低碳能源过波，以防止气候变化的最严重影响。我们回顾了影响核聚变未来发展轨迹的三个因素：（1）可再生能源价格的大幅下降.（2可再生能源的间歇性及其对未来能源网的影响,以及（3）最近提出的将中级核废料作为核聚变产物的主张.在我们假设的情况下，我们发现，虽然发展核聚变电站的动机仍然很明显，但随着核聚变电站的出现，这种动机可能会减弱.我们还得出结论，日前大多数聚变反应堆的设计没有考虑到这些因素，为了提高市场占有率,聚变研究应考虑放宽核废料设计标准、原材料可用性眼制和脉冲运行的负荷跟踪设计。1介绍核聚变通常被认为是未来能源组合中基本负荷能源的首选来源；也就是说，一旦技术得到证明，聚变的优势使其成为低碳能源发电的明确选择一一假设它具有成本竞争力（Bustreo等人，2019）,然而，聚变作为一种长期能源的相对优势和劣势是复杂的。我们不是假设成本竞争的核聚变是一个明确的选择，而是认为成本与裂变大致相似，然后在后碳能源网的背景下回顾核聚变的显著特征。这使我们能够考虑，为了使核聚变在未来的能源供应中发挥重要作用，需要哪些广泛的设想。该分析不同于以往的工作（如（Cabaletal,2017）和（Anyaeji,2017）,它包含了聚变材料研究的最新结果以及涉及低成本可再生能源紧急脱碳的气候情景的影响.，在首先给出聚变研窕的背景背景背景之后，我们证明了描述后碳能源情景和未来聚变发电厂相关特征的一些一般前提。然后，我们研究了聚变相对于其他公司低碳能源的优势和劣势，并总结了聚变研究计划的建议。我们分析的逻辑结构如图1所示。2背景在基林观测到大气中二氧化碳浓度上升之前（基林，1960年），商业聚变能的研究最初是基于其相对于核裂变的相对优势：不扩散、不熔毁、无长寿命放射性废物、高功率密度和丰富的燃料。这一动机在三里岛和切尔诺贝利核灾难之后得到加强，因为公众对核动力源的情绪下降导致新建核电站停滞不前，为商业核聚变开辟了一个潜在的利基（SChneider等人，2011）.的齐加明继址；联系一式：tom-IT.EG尼J：Im,托力斯也维期JffliHtpSo网站（T.P.戴维斯）https:/doi.Org/10.1016/j.enpol.2020.112043收到日期：2020年6月8日：修订版：2020年10月29H：接受日期：2020年11月15日：可T2020年12月14日在线获取0301-4215/©2020爱思唯尔有限公司.保留所有权利.虽然自1970年代初以来，人们就认识到了人为气候变化问题，而且政府间气候变化专门委员会自1989年以来发布了报告，但直到最近，人们才开始关注到迫切需要在2050年之前实现完全脱碳（ROgeIj等人，2018年）。聚变的价值主张已经改变，以满足这一点：零碳能源发电的好处，特别是现在强调，以及提出的论点图1.碳排放后的未来情景分析，为了使核聚变在木世纪显著地渗透到能源市场，必须在市场、政策和核聚变技术领域内满足各种条件相对于可再生能源的优势，如基本负荷供应、更高的能源密度和地理独立性。目前，全球聚变的大部分工作都在致力于ITER,这是一个政府间规模的项目，旨在建立第一个托卡马克，旨在证明等离子体能量收支平衡。ITER将于2035年满功率运行，预计耗资约220亿美元（Kramer,2018）,大多数政府的核聚变项目计划在ITER之后的某个时候建成一个类似ITER的核聚变示范电站（称为Demo）,演示将展示必要的技术，如综合病育种，需要产生公用事业规模的基本负荷电力。大多数政府融合项目（如中国（Zhuangetal.,112010）和韩国（Kimetal.,1088）采用与EU-DEMol设计相似的设计（Federicietal.,2002）1,我们承认通过使用高温超导（HTS）磁体技术缩小反应堆规模来加快发展的努力（SOrbometal2015），但将讨论推迟到最后。三.房产我们首先陈述了六个前提，这些前提可以应用于未来的能源组合或聚变能源技术。前两个前提与聚变技术有关：它们可以说适用于所有"的聚变装置，但特别适用于那些使用磁约束燃料的装置。后四项与未来全球能源结构的特点有关。绝对清楚地说，我们假设这些前提是真实的，并探讨由此产生的后果：它们不是作为明确的预测，而是作为似是而非的建议，具有值得考虑的影响。3.1. 等离子体物理的挑战战解决了我们假设对等离子体物理的理解足够充分，可以设计出一个商业工厂，该工厂能够在有足够等离子体约束的情况下可靠地运行，以获得显著的聚变能量。我们并不意味着对等离子体约束的了解就足以完全超过当前约束定标定律（小；LPEGQe和传输）设定的宽泛限制（我们排除了任何“桌面融合”的可能性）或对等离子体面向组件的材料特性的显著放宽限制（LinSmeier等人，2007）。目前情况并非如此，许多主要的等离子体物理挑战仍然存在（如ITER物理基础（Shimada等人，2007年）所述）。这一前提还排除了任何使用纯笊等离子体或所谓的非中子燃料混合物（如D-3He、p-6Li或P-IIB）的发电厂。这意味着聚变发电厂必须使用笊版燃料混合物并处理由此产生的高能中子。虽然没有显著中子活化的核聚变发电厂将具有巨大的优势，但这可能是不可能的物理论据（Rider,1995.1997）是众所周知的。3.2. 解决了材料科学的挑战我们假设材料挑战（Rowcliffeetal.,2018）得到了最小程度的解决，以允许使用与演示中考虑使用的材料相似的材料运行聚变反应堆（Federicietal.,2017）0这包括能够承受高热负荷的等离子表面材料（Ueda等人，2017年）和能够将腌化和膨胀问题保持在可接受水平的结构材料（Stork等人，2014年）。我们不认为所使用的材料不会通过中子活化而成为核废料。3.3. 能源网将在没有磁合的情况下脱碳到2050年将一氧化碳排放量降至净零排放量（ROgeIj等人，2018年）将是指导能源部门发展的最重要因素之一。欧盟在2017年承诺到2050年实现净零电力供应的目标（工作文件1976/2016R,2017）,我们假设95-100%的脱碳电力行业（JenkinS等人，2018a）。因此，我们假设2050年的能源结构将只包括零碳技术：带有碳捕获和储存（CCS）的化石燃料发电厂、核电站和可再生能源。欧盟核聚变路线图指出"演示将在ITER演示高功率燃烧等离子体后20年左右投入运行"（Donn&apos;e和MOES.2018）,将商业核聚变工厂的最早H期定为2055年。即使在开发了一个示范反应堆之后，采用聚变核电站也必须经历所谓的"死亡谷"，即早期核电站的资本成本高、建造时间长，同时还不能提供为创新融资的最佳投资回报（Cardozoetal.,2016）»发展新供应链的挑战将加剧这种情况（萨里，2019年）。尽管这一欧盟时间表代表了全球政府的聚变研究，但现在也有几家私营公司打算更早地开发商业聚变发电厂（SOrbometal.,2015：Sykesetal.,2018）,然而，由于剩余的物理、工程和材料科学挑战，本文将假设全球能源供应几乎完全脱碳，而无需聚变的贡献一一无论是公共还是私人资助。这一前提并不依赖于在任何特定日期实现脱碳，只是脱碳发生在商用聚变电源广泛可用之前。IPCCI.5。C和EUroflUSiOn的时间线在本文中不需要解释为不可移动的H期，只需要作为事件发生顺序的有力指示。3.4. 能源供应基础设施的选择主要基于货币成本我们假设低碳能源的选择主要由货币成本驱动，而不是军事、地缘政治或其他环境原因。鉴于零碳社会在定义上更具环境意识，我们还将考虑未来优先考虑替代指标（如能源投资回报率（EROl）的可能性（Carbajales-dale等人，2012）3.5. 可再生能源将主导脱碳电网可再生电力的成本将继续下降（发电公司，2016年）.麦肯锡称：“廉价的可再生能源和电池从根本上重塑了电力系统LJ到2030年，新建可再生能源将在能源成本上超过大多数国家现有的化石发电“（Tryggestad等人，2019年）。即使不考虑重大的碳管制（Tryggestadetal.,2019）或补贴（Lazard&apos;sLevelizedCosto,2019）可再生能源预计也将达到较高的比例（到2050年全球占74%）（旨在达到更高脱碳目标的情景显示出类似的高网格分数：IPCC（MaSSon-DeImOtteetal.,2018）指出，"在1.5C的路径中，没有或有限的超调，可再生能源预计将在2050班提供70-85%（四分位区间）的电力（高置信度）。"英国石油公司最近的预测设想，到2050年，可再生能源将提供全球约60%的一次能源需求（英国石油公司，2020年）。英国气候变化委员会同样预测，要达到15摄氏度的目标，78%的可再生能源比例是可取的。只有60%的份额被称为“谨慎”的做法，因为他们预测,如果可再生能源的比例可能更高，例如通过远距离互联、更便宜的存储或更多的需求侧管理，那么更大的份额可能会降低总体成本（净零技术报告，2019年）。因此，照常营业和高脱碳方案的特点仍然是可再生能源的高比例。我们在这里的假设是，任何未来的脱碳电网都涉及大应的可再生能源发电。一旦实现了脱碳，随着创新的发生，能源结构仍有可能演变。然而，尽管应该随着市场的发展不断重新评估融合的价值，但如果我们的前提仍然成立，那么我们的结论仍然适用。3.6. 聚变能源不会像可再生能源那样便宜直观地说，核聚变核电站在经济上与裂变核电站相似：发电机涡轮机、冷却、混凝土屏蔽和安全壳、高安全标准、核许可证、退役和核废料管理所产生的巨额资本成本：运行和维护所需的持续成本的一大部分，部件更换和利息偿还：以及相对较低的燃料成本。破约束聚变还特别需要大而品费的磁铁。EntlerEntleretal.2018）对IGW欧盟示范核聚变电厂概念的成本进行了建模，发现平均化能源成本（LCoE）为175美元/MWh,直接资本成本（含意外开支）为74亿美元（所Itj"成本均以2018年美元报价）。FUSiOn的LCOE对初始资本成本很敏感（Sheffield和MiIOra,2016）：IGW的资本成本为39亿美元，表明La）E为83美元/MWh,而使用与EntIer的演示设计类似的资本成本（62亿美元）得出的LCoE为121美元/MWh.般来说，聚变技术的成本增加10亿美元，电力成本增加16.5美元MWh.将聚变专用技术的资本成本设置为零，则LCoE为72美元/MWh,接近可再生能源的当前价格，但这显然是不可信的。EnHer（EntIer等人，2018）发现，仅聚变电厂概念的有效运行和退役成本就达到27$/MWh。然而，这是假设没有长寿命的放射性废物，这一假设我们将在本文后面讨论。鉴于ITER和HinkleVPOintC预计成本均超过200亿美元（Kramer,2018：Haasetal.2019）,我们假设成本超过100美元/MWh更为现实。作为比较，LaZard建议，目前大型太阳能光伏的LCOE在40-46美元/MWh之间，陆上风电在29-56美元/MWh之间，海上风电在92美元/MWh（Lazard的平准化成本。，2019年）。因此，我们假设当聚变在商业上可行时，公用事业规模的太阳能和陆上风能都比聚变便宜很多，而且可能是无限期的。4讨论1.1.1. 生能源能解决这一切吗?一些研究得出结论，仅使用可再生能源（包括地热和水电）就有可能满足国家能源需求（Jacobson等人，2018年；Connolly和Mathiesen,2014年：Ram等人，2019年；UeCkerdt等人，2015年：ChiId等人，2019年：ZaPPa等人，2019年）。在特定情况下，它实际上比正常情况下的成本要便宜，但需要注意的是，能源电网的组成是非常地区性的，通常包括与国际电网整合的远距离能源传输（PIeBmann和Blechinger.2017）n例如，Jacobson（Jacobsonetal.,2018）全面分析了多个场战，其中所有可再生能源电网都有存储，以经济可行的电价提供负荷跟踪电力。如果完全由可再生能源来应对脱跋挑战，而不需要"基本负荷”能源，那么就没有明确的动机将聚变纳入其中。假设可再生能源和储存仍然是最便宜的选择（包括能源储存的成本），那么，根据前提D,它们将满足任何随后的需求增长，而不会出现核废料、安全或扩散问题。1.1.2. 生能源渗透限制可再生能源确实有一些重大的缺点，必须克服这些缺点才能使全可再生能源电网可行，其中最具挑战性的是供应的暂时间歇性.为了应对波动的电网负荷，必须使用储能、其他高度可调度的能源以及长距离互连的一些组合(Gilsetal.,2017),虽然(Ziegleretal,2019)表明，如果完全依赖电存储,可能没有竞争力，但使用电池(如(JaCObsonetal.,2018)中的方案C)可以大幅降低成本。然而，包括公司不可再生能源备份在内的多样化能源组合总体上几乎总是便宜的(Milevaetal.,2016；Sepulvedaetal.,2018：BrickandThernstromr2016)»由于能源稀少,大规模可再生能源的部署也会对土地利用产生重大影响(Herendeen,2019年)，因此在土地价值高或能源需求密集的情况下(例如，对于特大城市)是不利的。4.3.在这种新的背景下融合的可取性相反，设想到21世纪下半叶，可再生能源的普及率将达到高水平(但不是全部)，其他低碳能源将需要填补供应缺口。当大规模的核聚变部署变得可行时，电网的组成将与今天大不相同：新能源必须与高可再生能源部分协同工作。这种电网将重视灵活性一一正如预测的那样，将裂变(Canyetal.,2016)和天然气与CCS(Mechlerietal.,2017)与间歇可再生能源相结合。如果fusion无法提供此服务，则可能会将其排除在需要基本负载的替代市场之外。坚定的低碳发电的选择主要是核裂变、核聚变和带有碳捕获和储存的气体。由于核聚变将与这些来源竞争，我们现在试图评估其相对优点，重点放在材料科学和工程挑战对开发近期核聚变反应堆设计可能施加的限制。1.1.3. 跟踪在具有大量间歇性可再生能源的电网中，能够满足需求的可调度能源将降低整体系统成本(Milevaetal.,2016：Sepulvedaetal.,2018：BrickandThernstrom.2016：Herendeen,2019：Canyetal.,2016；Mechlerietal.,2017；Jenkinsetal.,2018b)。CCS(Brouweretal.,2015)、裂变(Jenkinsetal.2018a)和聚变(Bustreoetal.,2019)预计会出现这种情况。对于基本负荷电厂，可通过远距离互联来改善接入，从而消除供应变化(HamaCher等人，2013年)，但即使在这种情况下，可调度性仍将受到高度重视。这就提山了核聚变电站的技术挑战，即负荷跟踪而不是提供基本负荷。这一点在欧盟演示概念中得到了简短的回答，得出结论认为，书可能将聚变能量降低约50%(MaiSOnnier等人，2005年)。然而，这是豆杂的连锁反应与降低等离子功率输出(沃例和肯普，2015年)。在任何磁约束设计中，负载与等离子体功率输出和等离子体控制之间都会存在张力。无论设备是在脉冲模式还是稳态模式下运行(Federicietal.,2002；DonneandMorris,2018),实时控制系统都必须通过多维参数空间“引导”它们，避免对等离子体约束造成危险的区域。负载跟踪显著增加了必须理解和安全管理的轨迹数量：因此，欧盟的演示设计目前假设为单一操作场景。实际上，这意味着重且运行相同的等离子体脉冲场景，具有相同的持续时间和能量输出。或者，将脉冲运行中的示范规模反应堆与覆盖层和涡轮机之间的热电池耦合，可以平滑可变电网需求，但也会显著增加成本(HomannayetaI,Hayward：Vanteretal.2012)«有人建议改为联产氢气(Sheffield和Milora,2016),尽管这会降低整体能源效率。应该指出的是，这种方法也可以与可再生能源或裂变一起使用，以便长期储存能量。类似地，在满功率下运行聚变装置以产生热量(见第436节)，同时在电力之后同时共同产生负荷，可以提高负荷跟随的经济性，正如在小型模块化裂变反应堆的背景下所研究的那样(Locatellietal.2015).裂变已经通过直接改变裂变核心的功率输出证明了负载跟随(CanyetaL,2016),因此这不是聚变有任何明显优势的领域。虽然由于衰变热和燃料中毒的限制，裂变堆芯的响应速度比托卡马克等离子体慢(PonCiroIi等人，2017年),但它们也可以耦合到热或储氢技术。在低碳技术中，使用CCS的燃气最适合负荷跟踪；燃气轮机通常被川作"尖峰”电厂，添加CCS不会直接影响这种能力(Mechlerietal.,2017；Domenichinietal.2013).还应指出，大型核聚变厂的财务模式(前期成本高、燃料成本低)不利于降低能源产出。如果低需求能迫使植物减产，休眠的相对机会成本将变得显著。当需要灵活操作时，燃料价格占总成本很大一部分的来源受益更多(MeehIeri等人，2017)。因此，负荷跟踪核聚变电厂不太可能在经济上具有竞争力，除非对使用CCS的天然气存在些阻碍其建设的反对意见(例如，缺乏补贴、缺乏可用的C02储存、公众反对、防止排放达标的基础设施泄漏(Alvarezetal.,2018)等)，或大规模核聚变的使用场景，显著提高了其负荷跟随经济性(例如，海水淡化或其他联产(LocateIIietaL,2015)。定量市场建模研究应该更严格地研究这个问题。4.3.2. 废物产生通常所说的聚变优于裂变的优点之一是，人们错误地认为聚变不会产生"长寿命"放射性废物(FederiCi等人，2002年；Gorley,2015年)。20世纪80年代，聚变材料界讨论了减少中子活化产生的长寿命放射性废物体积的方法(Brager等人，1985年)。1982年，美国能源部决定通过限制聚变废料与裂变材料相比的放射性寿命，大幅减少高放射性核废料的体积(英国对不同废物类别的定义如图2所示)(Conn等人，1983)。这是通过引入“低活化"或"低活化”材料标准实现的，其定义为(Gorley,2015)："核聚变能源生产核废料的材料选择，在最初从反应堆中移除100年后，可以在低放废物储存库中处理。"为此，设计了低活化(或低活化)结构钢，中子学建模得出结论，这些钢将满足低活化标准，因此仅被归类为低放射性废物(LLW)(Gorley,2015：Conn等人，1984：Kohyama等人，Ehrlich；Klueh等人，2000：Gilbert等人，2018：Lindau等人。,2005).EUROFER97还原活化钢是由EUrOflUSion设计的主要聚变结构材料(GaganidZe等人，2018年)，并被选为EU-DEMol反应堆设计中的面向中子结构材料(FederiCi等人，2002年)。然而，Gilbertetal.(2019)(Gilbert.Eade.Rey.Vale.Bachmann.Fischer)和BaiIeyetaL(2020)(Baileyetal.»2020)使用EU-DEMOl设计的最新研究表明，EUROFER97钢(用于第一道墙、增殖毯和偏海器组件)将始终超过降低的活化标准，因此被归类作为中间水平废物(ILW)事实上，与核裂变相比，核聚变产生的中间放射性废物(ILW)更多：与EU-DEMOl设计相比，欧洲钠冷裂变快堆(SCFR)设计的每堆钢质量的ILW百分比更低(对于类似的功率输出)(Reidetal.,2020)°因此，根据英国协议，熔合专用结构钢将被归类为中间水平废物(ILW),EUROFER97的半衰期为数千年。这是一个相当大的放射性废物量：最近欧盟的演示设计需要1300-1500公吨的钢材，这些钢材将受到强烈辐射，从而成为ILW(SOmeya等人，2015年)。此外,GiIbert等人(Gilbert.Eade.Rey.Vale.Bachmann.Fischer)指出，由于天然铀杂质(活化后成为239PU和24TAm,其半衰期极长)»氮冷球床(HCPB)增殖毯中使用的任何钺都可能超过降低的活化标准。根据英国现行的核法，ILW要求进行地质处置。因此，最新的研究表明，聚变核电站可能产生核废料，这需要长期的地下处理，类似于裂变核电站。尽管核聚变不会产生高放射性废物（需要主动冷却），也不会产生半衰期超过10万年的放射性同位素，但对深部地质处置的需要仍然削弱了核聚变而非裂变的主要论点之一。这是很难避免的：造成这种情况的元素要么是机械性能所必褥的，要么是以百万分之几十浓度的天然矿石杂质的形式存在的，减少这种杂质在技术上或经济上可能都不可行。有人建议图2核退役管理局定义的英国放射性废物分类（放射性废物，2017年）：英国放射性废物：英国放射性废物清单报告，技术代表（核退役管理局，2017年）.*高放射性核废物是指由于放射性而使温度显著升高的废物，因此在设计储存或处疑设施时必须考虑到这一因素，结构材料可以回收利用（PaCe等人，2012年），然而，回收数百吨核废料用于新反应堆的社会、技术和经济方面，甚至在概念上都没有得到证实。应当指出的是，这是英国监管法的具体规定，不一定适用于国际。正如Gilbert的论文（GiIbert、Eade、Rey、Vale、BaChmann、FiSCher）中所解释的那样，使EURoFER97在英国法律中成为问题的14C水平在法国法规下不是问题，相反，使法国监管机构成为问题的94Nb水平在英国法规下也不是问题。此外，14C和94Nb的含量在日本根本不构成地质处置的需要。因此，可以想象的是，聚变团体可以游说对聚变结构废物进行单独的、国际上一致的分类，理由是情性钢比裂变废物具有更低的生物圈渗透风险。目前尚不清楚这将有多容易，如果不可能，另一种解决办法可能是完全放松LLW标准，并接受融合将产生ILW。4.3.3. 增殖尽管存在合理的担忧，但在核不扩散方面，聚变确实比裂变有优势，因为保障措施可能要容易得多。瓶用于热核武器，但其本身用处不大，因为它在初级阶段需要裂变材料。G。IdSton等人（G。IdSton和GIaSer,2012年）探讨了利用14.1MeV聚变中子产生可裂变材料的可能性，但得出结论认为，如果有适当的探测保障措施，这将很难秘密进行，并且相对直接地单方面停止。他们还考虑了用旅增强常规原子武器的可能性。如果我们把核聚变和先进的裂变概念相比较，总体情况就会改变。根据设计，第四代裂变反应堆应具有令人印象深刻的防扩散证书：先进的后处理和反应堆堆芯内坏的快速燃耗（Behar,2014）导致现场裂变材料库存减少。使用针循环也被认为具有更好的防扩散证书。然而，牡通过中子俘获产生的233U是可用于武器的，国际原子能机构将233U归类为原子能机构1980年的钵。相反，支持者认为233U的232U含量很高，这是一种强伽马辐射源，因此很难安全处理，也很容易检测和防范，尽管这一点的真实程度存在争议（HeSketh和WOrTa1,2010）o虽然核聚变在扩散方面优于传统的裂变，但很难断定其优于可能的先进裂变概念，因为在核聚变进入市场时，这些概念可能是竞争对手。4.3.4. 投资的能源回报技术的相对货币成本并不能完全反映与之相关的环境损宙，以及个更全面的指标建议是投资的能源回报率（ERoD（CarbajaIeS-dale等人，2012年）。文献中对能源ERol的估计各不相同，但对英国当前不同的电力来源进行了广泛的指示性比较（RaUgei和LeCCiSi,2016）°发现的最高ERol是水电（170）.其次是裂变（87）.风（50-52）,气体（41-尽管没有CeS）和PV（10-25）只有一项研究估计了核聚变电站的EROI（约27）,但从1975年开始的反应堆设计（White和KUlCinski,2000）,因此，我们现在将试图对核聚变和其他先进核技术的最乐观的可能价值作出一般性的限制”由于聚变的燃料能量密集且相对丰富，因此无论是对浓缩成本的乐观估计（LoZadaHidalg。等人，2017年）还是常规估计（RAE,1978年）,其燃料循环仍然具有较高的EROI。然而，整个系统的EROl受到释放潜在能量所需的设备能量的限制产生的能量爱洛伊=投入的能源Pt公司我MtL公协FPtL+l(1)1EROIFPtL公司式中，P是反应堆输出功率，tL是电厂寿命，M是单位时间的维护能源成本，F是单位可用输出能源开采和生产燃料的能源成本，I是建造和停用电厂基础设施的一次性能源成本，EROIF=1F是仅燃料的EROL显然，即使爱神是无限的，系统爱神也不会趋向于无限(2)爱洛伊TM«+Pt公沁式正如前提F中所讨论的，任何核聚变电厂都将福要重要的物理基础设施、电厂平衡、维护和退役。因此，为了粗略估计核聚变的EROl,我们假设与核电站建设、维护和退役(即除燃料采购外的切)相关的能源成本与具It类似功率输出的裂变核电站相当。对于裂变压水堆(PWR),燃料循环需要整个技术生命周期总能及输入的一半左右(WeiBbaChetaI2013),因此，即使燃料可用于零能源成本，总体EROl也仅会增加约一倍至170。这代表了一个上限，因为我们还知道聚变反应堆“岛”的尺寸最小(Freidberg等人，2015),聚变装置的发电等离了体的体积功率密度低于裂变装置的堆芯(EU-DEMOl为1.2MW/m3,SCFR为300MW/m3)。尽管乐观，这个EROl比任何现有的(可广泛扩展的)技术都要高得多，这意味着在有生态意识的网格中有可能进行融合。类似的论据也适用于先进的裂变燃料，在同样大小的反应堆中，裂变238U会使裂变燃料的EROI增加一个数量级以上。但是，聚变相对于风能的三重优势(甚至包括储存(CarbajaIesYaIeetaI.,2014)可能会因聚变对提取能源密集型元素(如被、筲、稀土金属，如超导磁体用钻)的特殊需求而受到损害。4.3.5. 资源供给虽然核聚变确实可以获得丰富的笊和悝燃料来源，但其他反应堆相关资源是否会成为严重的限制因素仍不确定。利用Fasel(FaselandTran,2005)的方法，但根据最新的可用性估计(Jaksula,2020a),目前可获得的陆地锂资源可提供2800年的聚变能量。但与其他行业竞争的加剧，尤其是储能电池和电动汽车(EV),可能会更快地消耗这些储备一一可能在几十年内(Bradshawetal.,2011)。由于锂的使用是纯化学的，因此同位素不可知，因此可以建立一种经济，即浓缩的6Li仅由聚变反应堆使用，而“耗尽的"7Li则由储能工业使用。但这可能不太可能，因为在融合商业化之前，电动汽车行业预计将经历大规模增长(GlObal,2019)。Bradshaw(Bradshawetal.,2011)简单地假设了一个“最坏情况”的情况，但锂需求经济学对聚变的影响值得在未来的工作中进行更详细的研窕。获得海水中的锂将使聚变和储能的潜在储量增加几个数量级，但必须考虑处理必要数量海水的经济和环境成本.单纯考虑从海洋中提取的能源效率<Bardietal.2010),目前预测的锂通过聚变燃烧的EROl仅略大于1。裂变也面临着经济上可提取铀的限制。在已知常规铀资源的2002年世界核能发电时，目前轻水反应堆(直流)的估计铀寿命为：LOO年，但如果考虑第四代核反应堆，则会增加到2000年以上(铀2003:资源，2004)°然而，应该明确的是，这些数字是保守的(SChneider和SealI,2008).此外，由于社的丰度更大，理论上铉的供应量可能会增加3倍(SChaffer,2013)。与聚变燃料不同，使用现代技术时，从海水中提取这些裂变燃料的EROI被评估为<1(BardietaL,2010),但研究仍在进行中(AlexandratosandKung,2016)o另一方面，下一代核能也可以使用乏燃料和未富集的238U,加上其潜在燃料循环的封闭性，这意味着它可能大大超过90年(Gabriel等人，2013)。与含CCS的天然气相比，可用碳储存量存在一个估计上限，但这仍然允许在2100年之前大量吸收CCS(BUdiniSetal2018)。尽管CCS的能源成本很高，但这些电厂的EROl仍然为正(取决于电厂设计)，这导致能源输出减少6-20%。在一些聚变包层设计中用作中子倍增器的镀也是一个严重的问题。截至2018年，估计确定的世界被供应量为Iooooo公吨，开采率为每年230公吨(Jaksula.2020b).,如果为示范反应堆选择镀基增殖层，最多可建造200-300个反应堆(BradShaW等人，2011)。镀不能完全回收，因为它在中子增殖过程中发生了变化，因此有必要寻求额外的储量或使用替代品。不幸的是，中子倍增器的选择基本上受到核物理的限制，这使得铅成为唯一的其他选择之一，而铅必须以液态共晶形式使用，因此会产生额外的操作问题(Malang等人，2011：JUn和Tortorelli,2020)。磁约束聚变方案面临超导磁体所需液氮冷却剂的另一潜在资源短缺(BrUZZone等人，1088)。提供30%全球能源需求所需的聚变示范反应堆数量中包含的总氮库存约为全球氮资源的2%,氮的指数储备指数约为100年。Bradshaw(BradshawandHamacher,2013)的结论是，即使考虑到直接由D-T聚变反应产生的氮，聚变作为一种不可持续的氯消费品，也会加剧本已严峻的供应形势。由于所需的低分子量，取代具有挑战性。这种制约可以通过远见、资源供应链的积极管理和地缘政治合作加以管理，但仍存在很大的不确定性。然而，布拉镌肖也计算出，即使从空气中提取所需的氮能量昂贵，也只能将聚变的EROl降低1%左右。使用CCS的可再生能源和天然气也面临关键元素的材料短缺，特别是：用于光伏的钢、钱和银(Tao等人，2011年)，用于风力的铉，以及用于CCS的锲和铜(BradShaw等人，2011年：Kleijn等人，2011年)。不过，应该指出的是，所有这些情况都受到电气或化学过程的限制，而不是核反应，因此可以说，研究替代品或回收利用的潜力更大。还必须注意的是，所有代表可提取材料数量的数字本质上都是保守的，需要修改。2010年至2020年间，锂资源量从2550万吨增加到了80Mt(Jaksula,2020a),这一点可以从中看出，因为锂需求的增加加剧了对新储量的寻找和新开采方法的开发。因此，在近期内，聚变在燃料可用性方面明显优于当前一代裂变，但这一优势可能不会超过先进的裂变概念。4.3.6. 聚变能提供热量吗?工业和家用需要不同温度下的热量，它占全球能源使用量的很大一部分(InternatiOnaIenergVOUtl,2019：ThOmPSon,2013)。对美国14大温室气体排放行业(占行业总能源需求的37%)的分析(MCMiHan和NarWade.2018)概述了不同温度下的热能供应构成：低温(V100C)为0.6%；中温(100-400(C)为60.1%：高温(>40(C)时为39.3%【McMHIan和RUth,2019年】：在上层的使用，然后进一步分层的基础上所需的温度。聚变可通过一次冷却剂水冷设计的最高温度约为300C(TObita等人，2018)或第一次高压膨胀阶段(液态金属和氮冷却剂的最高温度为700C(AbdoU等人，2015)提供中低温热量，达到市场总需求的86%,对于裂变和聚变设计而言，超过这一温度(>800C)的温度在技术上是无法达到的(AbdoU等人，2015年),从目前的情况来看，含CCS的天然气将填补这一空白。由于大部分热需求可以通过电力供应，可再生能源可以与聚变竞争，以提供中低温热(WiISon等人，2013年)。然而，必须注意的是，一些可再生能源(如太阳能)在国内热需求高峰的冬季提供的电力要少得多。此外，对工业用热的需求通常是恒定的，因此核聚变(或裂变)发电厂有可能为碳排放后市场提供基本负荷热。4.3.7. 裂变聚变杂种裂变聚变混合物(Freidberg,2009)是利用聚变装置覆盖层中的可裂变材料，使聚变中子触发非临界裂变反应以产生额外能量的反应堆(Manheimer,2009).这个概念的一个关键部分是燃料不需要235U,例如可以回收238U的废物。混合动力将缓解聚变设计面临的许多重大挑战。通过减少所需的聚变能量增益，伴随的热排放负荷、反应堆尺寸和相关成木都显著降低。实现气增殖比1变得非常简单。此外，对于相同尺寸的反应堆容器，功率输出将更高，因为大部分功率生产将来自于包层而不是等离子体（Manheimer,2009）。假设非聚变特定要求的增加成本足够低，以较低的资本成本获得较高的电力输出，可能会使混合电力内在地比"纯“聚变更便宜。然而，杂交将使所谓的聚变优于裂变的一些优势失效，即不扩散（尽管这一点存在争议（Manheirner.2014）和LLW标准：因此，杂交通常被忽视。但是，如果我们根据一个宽松的废物标准垂新考虑它的价值主张，并接受融合将产生ILW.那么接受HLW和副系元素也将产生的跳跃要小得多。但是裂变聚变混合装置和纯裂变装置之间唯一显著的度的区别就是没有熔毁风险。综上所述，通过降低等离子体物理复杂性、降低ICOE和防止熔毁的固有安全性，混合设备可以更好地与下一代裂变进行竞争，但这在废物和扩散方面是有代价的。4.3.8. 镰要在一个以廉价的间歇性可再生能源为主的脱碳电网中，发电可能需要紧跟需求。聚变能源可以在一定程度上做到这一点，这将提高其相对于使用CCS的天然气的竞争力，CCS是一种最经济适用于后碳世界快速负荷跟踪的技术。可能存在着聚变更适合的低碳供热市场，但它不会独占进入。一旦考虑到现实的工程和材料限制，聚变的特征优势就变得不那么明显，聚变和裂变（特别是第四代裂变概念）之间的区别就变得更细微了。我们将在本文中总结一些这种复杂性图3。聚变有可能实现非常高的EROL但也可能推进裂变燃料循环，在这两种情况下，最大可实现值都受到所需发电厂规模的显著限制。号虑到任何实际可行的核聚变装置都有可能产生需要深度地质处置的核废料，朝着裂变-策变混合的方向迈出的一步就更容易被接受。这就提出了建造一个本J贞上防熔毁的238U混合反应堆的可能性，它不仅可以解决设计“纯”聚变装置的许多最