關於可控核聚變你需要知道的真相

今天早上刷帖子時因爲我說：“可控核聚變不具有商業價值，完全不如光伏一根”而被一位hy稱作嘉豪了，首先我感謝這位hy的指責。

更加嚴謹的說法是“目前可控核聚變尚未證明具備商業競爭力，尤其是在未來幾十年內，它可能難以與低成本新能源競爭。”

那讓我們看看目前核聚變的進展

關於原理

首先人類主要採用的是氘氚核聚變（D-T聚變）這是目前人類研究最成熟、最有希望實現工程化的聚變方式。

讓兩個較輕的原子核在極高溫度下碰撞融合，形成一個更重的原子核，同時釋放巨大的能量。

反應式：

2H+3H→4He+n+17.6MeV

也就是：

氘+氚→氦-4+中子+能量

首先反應堆需要極高的溫度，部分氘核和氚核碰撞時，且速度足夠大，就可以克服排斥力。

氘氚聚變需要約1億攝氏度量級的等離子體溫度，使粒子獲得足夠能量，提高發生聚變反應的概率。

然後，強核力開始作用。

一旦兩個核靠近，強大的強核力就會把它們結合起來。

而且因爲沒有任何材料能直接接觸一億度的高溫。

所以會採用磁約束的方法

例如託卡馬克：用強磁場讓等離子體懸浮。

關於成本

中國的清潔能源佔比大概是42%[1]光伏發電和風力發電便宜到不敢相信，甚至已經超過了燃煤。即使考慮儲能與運輸的損耗，中國光伏發電平均成本爲0.34元/度，而燃煤爲0.40元/度，而核聚變呢？

即使是今天對核聚變最樂觀的估計是——50~70年後，達到1.4元/度的成本...[2]

關於發電

而且這個估計直接假設反應堆每年不休地工作274天（即75%的年利用率），但到今天爲止，世上最厲害的核聚變反應堆單次工作時間是多久呢？

EAST全超導託卡馬克裝置的1066秒（25年1月20日），而EAST主要是爲了證明“等離子體能否長時間穩定控制”而非核聚變發電[3]

真正用於產能的是歐洲的 JET（Joint European Torus，歐洲聯合環形裝置）[4]

在2023年（這個實驗具體日期不清楚，是2024年2月8日報道的），它創造了磁約束聚變單次實驗能量輸出紀錄：

輸入加熱熱量沒提到，但是可以參考2022年的輸入加熱熱量11MW，聚變產能59 MJ

• 聚變產生能量：約 69.26 MJ

持續時間：

• 約5秒

消耗原料：

• 約0.21毫克

對應Q≈0.33

而且這還不計算維持強磁場所需要的能量

再根據目前全世界效率最高的熱電廠的轉化效率（45%）來看

這69兆焦耳的能量大概也就產出8.6度電左右

實驗裝置總耗電還包括磁體,真空,冷卻,電源系統，輸入加熱熱量僅僅只是總耗電的一部分

並且這個裝置在維持5秒後就徹底退役了

關於商業發電

Q的定義爲:Q=聚變產生的能量/用於加熱等離子體的能量

商業聚變需要多少Q？

通常認爲：

• 實驗驗證：

  • Q>1 已經很重要

• 工程驗證：

  • Q≈10~20

• 商業發電：

  • 可能需要 Q≈20~50甚至更高[]

而商業發電還需要考慮淨電功率、可靠性、設備壽命、成本。

目前表現最好的核聚變反應堆大概能做到耗費80度電產出一度電

而真正用於商業最差也要耗費1度產20度，理想狀況是耗費一度產50度

目前還差4000倍！！！

關於如何實現商業核聚變發電

需要同時擁有遠超JET的發電能力，遠超EAST的運行時長，還有遠超ITER（國際合作，法國建設，目標是實現大規模聚變增益）的大型化

就算說是50年後，光伏發電和風力發電又能得到多大的普及，留給商業核聚變的蛋糕可能真的沒有多少

注：風電效率的理論極限爲59.3%，現在平均水平爲30~45%，單晶硅光伏的理論極限爲29.4%,現在商業平均水平爲20~23%，全球能耗爲180000TWh/年,而地球得到的太陽能爲150000000TWh，爲能耗的8000倍

數據來源

[1]國家統計局

[2]American Nuclear Society

[3]中國科學院等離子體物理研究所

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

[5]Technical Feasibility of Fusion Energy

一些話：我覺得遇到事情需要保持思考，一定的檢索能力是必要的，它可以給我們帶來一個更科學的世界觀，本文只是一個初級的調研類的文章，故除了數據沒有去過多查閱科技前沿的論文，如有錯誤請指出，本人未接受過高等教育，所以歡迎批評指導