能源问题与核聚变

能源问题，是我们如何回答“要获取多少能源、以怎样的方式、付出怎样的代价”这一问题。本页以全球能源需求和脱碳的必要性为出发点，结合燃料资源量、能量收支和发电成本等数字，思考核聚变能在什么样的定位上发挥作用。核聚变本身的原理会在什么是核聚变中讨论，因此这里聚焦于“为什么要以核聚变为目标”。

先建立直觉（高中水平）

我们的生活由大量的能源支撑着。照明、冷暖气、给智能手机充电、电车和工厂、粮食的生产与运输，全都是能源的消耗。放眼全球，如今其中大部分仍由石油、煤炭、天然气这些化石燃料支撑。化石燃料就像是“远古生物历经漫长时间在地下积攒下来的能源存款”，用了就会减少，燃烧时还会排放二氧化碳（CO2）。

在这里，两个难题同时出现。一个是，存款总有一天会变得捉襟见肘。另一个是，CO2 会使地球变暖、改变气候。因此世界正试图转向“几乎不排放 CO2 的能源”。这被称为脱碳（decarbonization）。

候选方案有很多。太阳能和风能是非常好的选择，但太阳到了夜里就不再照耀，风也不会总以相同的强度吹拂。发电量随天气起伏，这被称为间歇性（intermittency）。另一方面，社会也需要不受天气影响、能一整天稳定持续供电的电源，这被称为基荷电源（baseload power）。工厂、医院和城市的基础设施，都由这种“随时都有的电”支撑着。

核聚变是一项挑战：让太阳发光时所依靠的那种“轻原子核相互结合成重原子核时释放能量”的反应，在地面上发生。若用一句话概括其魅力，那就是燃料非常常见且大量存在，不排放 CO2，而且可以成为不受天气左右的基荷电源。核聚变的主要燃料氘（deuterium）是普通水中微量含有的一种特殊氢，可以从海水中提取。大海几乎取之不尽，因此对燃料的担忧非常小。不过也要如实指出，“作为发电厂运转的核聚变堆尚不存在”。它正处在作为技术得以成立的途中。

用物理来理解（本科水平）

首先，用数字把握需求的规模。全球一次能源消费量约为每年 600 EJ（艾焦， $1\,\mathrm{EJ}=10^{18}\,\mathrm{J}$ ）的水平，其中约八成由化石燃料占据。“一次能源”指的是在转换为发电等用途之前，资源本身所含的能量。由于人口增长和新兴国家的经济发展，需求今后从基调上看仍会继续增长。

脱碳之所以刻不容缓，原因在于温室气体。大气中的 CO2 浓度已从工业革命前的约 280 ppm 上升到如今的 420 ppm 左右，全球平均气温相较工业革命前上升了约 1.1 度。要将气温上升控制在 1.5 度以内，据称需要在 2050 年前后实现 CO2 排放与吸收相平衡的净零（net zero）。核聚变在此具有意义之处，就在于反应本身不排放 CO2。

接下来，我们来估算核聚变“作为燃料资源得天独厚到什么程度”。核聚变堆最先力图实现的，是氘（ $\mathrm{D}$ ）与氚（tritium， $\mathrm{T}$ ）的反应。

\mathrm{D} + \mathrm{T} \rightarrow {}^4\mathrm{He}\,(3.5\,\mathrm{MeV}) + \mathrm{n}\,(14.1\,\mathrm{MeV})

一次反应会释放 $17.6\,\mathrm{MeV}$ 的能量。 $1\,\mathrm{MeV}$ 约为 $1.6\times10^{-13}\,\mathrm{J}$ ，因此每次反应约为 $2.8\times10^{-12}\,\mathrm{J}$ 。这与核裂变相比，单次反应的能量较小，但若按燃料的单位质量来比较，则可达到化学燃烧（燃烧石油或煤炭的反应）的数百万倍这一量级。“从同样重量的燃料中，能取出多出好几个数量级的能量”，正是核聚变在资源上的优势。

氘在天然氢中大约每 6700 个中含有 1 个，可从海水中提取。海水极为庞大，因此氘的总量相对于人类的能源需求，实际上可视为取之不尽。另一方面，氚在自然界几乎不存在，且半衰期约 12 年、较短，因此其设计前提是在堆内用中子轰击锂（lithium）来生成（增殖）它。所以在 D-T 方式中实际消耗的资源是锂，锂资源量将左右长期的供应。这里很重要的一点是要准确区分：“氘取之不尽，实际的制约在于锂和氚的循环”。

衡量其作为能源之性能的指标，是作为能量收支比的 Q 值（fusion energy gain factor）。定义如下。

Q = \frac{P_\mathrm{fus}}{P_\mathrm{heat}}

这里 $P_\mathrm{fus}$ 是等离子体产生的核聚变输出功率， $P_\mathrm{heat}$ 是为加热等离子体而从外部输入的功率。 $Q=1$ 是“输入的量与核聚变产出的量相等”的状态，被称为得失相当（breakeven）。 $Q \to \infty$ 对应于无需外部加热、反应即可自持的点火（ignition）。ITER 提出的目标是 $Q \ge 10$ 。核聚变的达成条件本身与劳森判据密切相关，而各装置各自的擅长与不擅长之处，会在核聚变的种类与方式中加以梳理。

深入理论（研究生水平）

谈论 Q 值时，必须严格区分所指的是哪个 Q。上面定义的 $Q$ 是作为等离子体物理的值，被称为科学 Q（scientific $Q$ ）。然而，决定其能否作为发电厂成立的，是工程 Q（engineering $Q$ ），常写作 $Q_\mathrm{eng}$ 。它按如下“从墙到墙”的方式定义。

Q_\mathrm{eng} = \frac{P_\mathrm{net,elec}}{P_\mathrm{recirc}}

$P_\mathrm{net,elec}$ 是能送往电网的净电力， $P_\mathrm{recirc}$ 是为驱动电厂自身而循环使用的电力，包括加热、磁场线圈、冷却、真空、氚处理等。这里存在双重的转换损失在起作用：将核聚变输出中由中子携带的约八成热量转换为电力时的热效率 $\eta_\mathrm{th}$ （通常为三成到四成），以及将电网的电力转换为加热用的注入功率时的效率 $\eta_\mathrm{heat}$ 。由于存在这两级损失，要获得 $Q_\mathrm{eng}>1$ ，科学 $Q$ 就必须相当大。有讨论认为，商用堆要求 $Q$ 达到几十的量级，作为参考标准是 $Q \approx 30$ 以上。“即便达成了 $Q=10$ ，那也并非发电厂的完成，而只是途中的一座里程碑”，这一认识正是由这一区分得出的。

左右能量收支的物理，是核聚变输出功率密度与损失之间的较量。核聚变输出功率密度为 $p_\mathrm{fus} \propto n^2 \langle \sigma v \rangle$ ，由密度 $n$ 的平方与反应率系数 $\langle \sigma v \rangle$ （强烈依赖于温度）决定。另一方面，等离子体失去热量的速度以能量约束时间（energy confinement time） $\tau_E$ 来表征，损失功率可写作 $\sim W/\tau_E$ （ $W$ 为储存能量）。要接近自持点火，就需要把密度、温度、 $\tau_E$ 的三重积 $n T \tau_E$ 做得足够大，这正是劳森判据的内涵。在输运理论中，这个 $\tau_E$ 会因湍流输运（turbulent transport）而比经典预测更短，如何抑制这一点便成为核心课题。

成本评估的思路，也与这一物理一脉相承。发电成本的比较常使用平准化发电成本（levelized cost of electricity，LCOE）。LCOE 是将建设费（资本费）、运维费、燃料费等除以运转期间的总发电量，并加入时间折现，均摊成“每 1 kWh 多少钱”的指标。就核聚变而言，燃料费（氘与锂）极小，而包含超导磁体、真空容器、屏蔽与氚处理系统在内的资本费则占据主导。因此 LCOE 主要取决于“能把初期建设费降到多低，以及能把利用率（capacity factor）维持到多高”。此外，若把对 CO2 排放定价的碳定价（carbon pricing）纳入考量，不排放 CO2 的核聚变，其相对竞争力就会提高。反过来说，核聚变的经济性由物理性能（ $Q$ 、 $\tau_E$ 、利用率）与工程（磁体和材料的量产、可维护性）这两个轮子共同决定，这就是在这一水平上的理解。

研究前沿（博士水平）

要让核聚变作为能源成立，未解决的课题并不止于等离子体的约束。在研究前沿，以下这些主题正被并行推进。

其一是堆工程与材料。D-T 反应产生的 $14.1\,\mathrm{MeV}$ 高速中子，会给堆壁材料带来辐照损伤（irradiation damage）与活化（activation）。围绕长寿命的低活化材料（low-activation materials）的开发，以及模拟中子辐照环境的材料辐照设施的研究仍在持续。与此同时，在堆的内侧一边从锂生成氚一边取出热量的包层（breeding blanket），以及氚自持（tritium self-sufficiency，增殖比 TBR $>1$ ）的验证，成为关键。承担核聚变发电验证的下一阶段装置形象，会在原型堆 DEMO中讨论。

其二是与电力系统的整合和运行。核聚变堆设想采用基荷运行，但在以可再生能源为主力的电力系统中，如何根据供需进行输出调节（grid integration，负荷跟踪），以及系统如何吸收大功率的波动，都会成为议题。在托卡马克型中，稳态运行（steady-state operation）的实现，即不采用脉冲运行而持续地连续驱动等离子体电流的手法，会同时影响经济性与系统适配性。

其三是经济性本身。核聚变电力能“在何时、以多少成本”供应，尚未到能作为确定事实加以陈述的阶段。近年来，利用高温超导（high-temperature superconductor，HTS）磁体使装置小型化、以降低资本费的思路，以及由民间企业开发的多样化堆概念，正被活跃地研究。阅读论文时频繁出现的关键词包括 engineering breakeven、tritium breeding ratio、availability / capacity factor、cost of electricity、balance of plant 等，这些无一例外都通向“如何把物理上的成功翻译为发电厂的经济性”这一共同问题。若避免断言地说，核聚变在原理上的优势明确，而工程与经济的验证才是接下来的正题，这就是它当前的定位。

理解自测

第 1 题什么是基荷电源，为什么核聚变被期待成为其候选？

第 2 题为什么仅凭“氘在海水中取之不尽”这一说明并不准确？

第 3 题从损失的角度描述科学 Q 与工程 Q（Q_eng）的区别，下列哪一项正确？

第 4 题从 LCOE（平准化发电成本）的角度看，主要决定核聚变发电成本的是什么？

第 5 题在让核聚变作为发电厂成立方面，除等离子体约束之外所必需的工程课题，下列哪一组合正确？