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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'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'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