关于可控核聚变你需要知道的真相

今天早上刷帖子时因为我说：“可控核聚变不具有商业价值，完全不如光伏一根”而被一位hy称作嘉豪了，首先我感谢这位hy的指责。

更加严谨的说法是“目前可控核聚变尚未证明具备商业竞争力，尤其是在未来几十年内，它可能难以与低成本新能源竞争。”

那让我们看看目前核聚变的进展

关于原理

首先人类主要采用的是氘氚核聚变（D-T聚变）这是目前人类研究最成熟、最有希望实现工程化的聚变方式。

让两个较轻的原子核在极高温度下碰撞融合，形成一个更重的原子核，同时释放巨大的能量。

反应式：

2H+3H→4He+n+17.6MeV

也就是：

氘+氚→氦-4+中子+能量

首先反应堆需要极高的温度，部分氘核和氚核碰撞时，且速度足够大，就可以克服排斥力。

氘氚聚变需要约1亿摄氏度量级的等离子体温度，使粒子获得足够能量，提高发生聚变反应的概率。

然后，强核力开始作用。

一旦两个核靠近，强大的强核力就会把它们结合起来。

而且因为没有任何材料能直接接触一亿度的高温。

所以会采用磁约束的方法

例如托卡马克：用强磁场让等离子体悬浮。

关于成本

中国的清洁能源占比大概是42%[1]光伏发电和风力发电便宜到不敢相信，甚至已经超过了燃煤。即使考虑储能与运输的损耗，中国光伏发电平均成本为0.34元/度，而燃煤为0.40元/度，而核聚变呢？

即使是今天对核聚变最乐观的估计是——50~70年后，达到1.4元/度的成本...[2]

关于发电

而且这个估计直接假设反应堆每年不休地工作274天（即75%的年利用率），但到今天为止，世上最厉害的核聚变反应堆单次工作时间是多久呢？

EAST全超导托卡马克装置的1066秒（25年1月20日），而EAST主要是为了证明“等离子体能否长时间稳定控制”而非核聚变发电[3]

真正用于产能的是欧洲的 JET（Joint European Torus，欧洲联合环形装置）[4]

在2023年（这个实验具体日期不清楚，是2024年2月8日报道的），它创造了磁约束聚变单次实验能量输出纪录：

输入加热热量没提到，但是可以参考2022年的输入加热热量11MW，聚变产能59 MJ

• 聚变产生能量：约 69.26 MJ

持续时间：

• 约5秒

消耗原料：

• 约0.21毫克

对应Q≈0.33

而且这还不计算维持强磁场所需要的能量

再根据目前全世界效率最高的热电厂的转化效率（45%）来看

这69兆焦耳的能量大概也就产出8.6度电左右

实验装置总耗电还包括磁体,真空,冷却,电源系统，输入加热热量仅仅只是总耗电的一部分

并且这个装置在维持5秒后就彻底退役了

关于商业发电

Q的定义为:Q=聚变产生的能量/用于加热等离子体的能量

商业聚变需要多少Q？

通常认为：

• 实验验证：

  • Q>1 已经很重要

• 工程验证：

  • Q≈10~20

• 商业发电：

  • 可能需要 Q≈20~50甚至更高[]

而商业发电还需要考虑净电功率、可靠性、设备寿命、成本。

目前表现最好的核聚变反应堆大概能做到耗费80度电产出一度电

而真正用于商业最差也要耗费1度产20度，理想状况是耗费一度产50度

目前还差4000倍！！！

关于如何实现商业核聚变发电

需要同时拥有远超JET的发电能力，远超EAST的运行时长，还有远超ITER（国际合作，法国建设，目标是实现大规模聚变增益）的大型化

就算说是50年后，光伏发电和风力发电又能得到多大的普及，留给商业核聚变的蛋糕可能真的没有多少

注：风电效率的理论极限为59.3%，现在平均水平为30~45%，单晶硅光伏的理论极限为29.4%,现在商业平均水平为20~23%，全球能耗为180000TWh/年,而地球得到的太阳能为150000000TWh，为能耗的8000倍

数据来源

[1]国家统计局

[2]American Nuclear Society

[3]中国科学院等离子体物理研究所

[4]JET’s final tritium experiments yield new fusion energy record

[5]Technical Feasibility of Fusion Energy

一些话：我觉得遇到事情需要保持思考，一定的检索能力是必要的，它可以给我们带来一个更科学的世界观，本文只是一个初级的调研类的文章，故除了数据没有去过多查阅科技前沿的论文，如有错误请指出，本人未接受过高等教育，所以欢迎批评指导