幾十年來，核聚變一直被吹捧為豐富、清潔電力的終極來源。如今，隨著世界面臨減少碳排放以防止災難性氣候變化的需要，實現商業化核聚變發電具有新的重要性。
在以太陽能和風能等低碳可變可再生能源 (VRE) 為主的電力系統中，每當需求超過供應時，例如當太陽不照耀或風不吹且儲能系統無法勝任時，就需要“穩定”電力來源。在這樣一個未來電力系統中，核聚變發電廠 (FPP) 的潛在作用和價值是什么?該系統不僅沒有碳排放，而且還能夠滿足未來幾十年預計急劇增長的全球電力需求?
經過一年半的合作，麻省理工學院能源計劃 (MITEI) 和麻省理工學院等離子體科學與聚變中心 (PSFC) 的研究人員一直在合作解答這個問題。他們發現，根據其未來的成本和性能，聚變可能對脫碳至關重要。在某些情況下，FPP 的可用性可以將全球脫碳成本降低數萬億美元。
超過 25 位專家共同研究了影響 FPP 部署的因素，包括成本、氣候政策、運營特性和其他因素。他們在一份題為“聚變能源在脫碳電力系統中的作用”的新報告中介紹了他們的研究結果。
“目前，從私營部門到政府再到普通公眾，許多方面都對聚變能源非常感興趣，”這項研究的首席研究員 (PI) 羅伯特·C·阿姆斯特朗 (Robert C. Armstrong) 說道，他是 MITEI 的前主任和雪佛龍化學工程名譽教授。“在進行這項研究時，我們的目標是提供一份平衡的、基于事實的、以分析為導向的指南，以幫助我們所有人了解未來聚變的前景。”
因此，該研究采用多學科方法，結合經濟建模、電網建模、技術經濟分析等，研究可能影響未來聚變能源部署和利用的重要因素。MITEI 的研究人員提供了能源系統建模能力，而 PSFC 參與者提供了聚變專業知識。
聚變技術距離商業部署可能還需要十年時間，因此目前尚不清楚未來商用 FPP 的詳細技術和成本。因此，麻省理工學院的研究團隊專注于確定聚變電站在 2050 年之前必須達到何種成本水平，才能實現強大的市場滲透，并為本世紀下半葉全球電力供應脫碳做出重大貢獻。
在電網中配備 FPP 的價值將取決于有哪些其他可用選項，因此為了進行分析，研究人員需要估算這些選項的未來成本和性能，包括傳統化石燃料發電機、核裂變發電廠、VRE 發電機和儲能技術，以及世界特定地區的電力需求。為了找到最可靠的數據，他們搜索了已發表的文獻以及之前的 MITEI 和 PSFC 分析結果。
總體而言，分析表明，雖然利用聚變能的技術需求非常巨大，但將這種穩固的低碳技術納入世界能源選擇組合中，其潛在的經濟和環境回報也同樣巨大。
或許最引人注目的發現是商用FPP的“社會價值”。
“將升溫限制在 1.5 攝氏度需要全世界投資風能、太陽能、儲能、電網基礎設施以及電力系統脫碳所需的一切，”核聚變研究執行主任兼 MITEI 研究主任蘭德爾·菲爾德 (Randall Field) 解釋道。“當 FPP 成為清潔、穩定的電力來源時，這項任務的成本可以低得多。”
此外，收益取決于 FPP 的成本。例如，假設 2050 年建造 FPP 的成本為每千瓦 (kW) 8,000 美元，到 2100 年降至 4,300 美元/kW，那么全球電力脫碳成本將下降 3.6 萬億美元。如果 2050 年 FPP 的成本為每千瓦 5,600 美元，到 2100 年降至每千瓦 3,000 美元，那么建造核聚變電廠將節省 8.7 萬億美元。(這些計算基于全球國內生產總值的差異，并假設折現率為 6%。未折現值大約是 20 倍。)
其他分析的目標是確定在選定的 FPP 成本下全球部署的規模。結果同樣令人震驚。對于深度脫碳情景，如果核聚變成本高，2100 年全球核聚變發電總量將占不到 10%;如果核聚變成本低，則占 50% 以上。
其他分析顯示，核聚變部署的規模和時間在世界各地有所不同。歐洲和美國等富裕國家有望率先部署核聚變，因為這些國家擁有最積極的脫碳政策。但某些其他地區——例如印度和非洲大陸——將在本世紀下半葉實現核聚變部署的大幅增長，因為屆時對電力的需求將大幅增加。
麻省理工學院可持續發展科學與戰略中心副主任、麻省理工學院高級研究員謝爾蓋·帕爾采夫 (Sergey Paltsev) 解釋說：“在美國和歐洲，需求增長幅度將很低，因此這將是一個從污染燃料轉向核聚變的問題。但例如在印度和非洲，本世紀后期，總體電力需求的大幅增長將通過大量核聚變以及其他低碳發電資源來滿足。”
一組針對美國九個次區域的分析顯示，其他低碳技術的可用性和成本，以及碳排放限制的嚴格程度，對 FPP 的部署和使用方式有著重大影響。在脫碳世界中，FPP 在可再生資源多樣性、容量和質量較差的地區將具有最高的普及率，而限制碳排放將產生重大影響。
例如，大西洋和東南次區域可再生資源較少。在這些次區域，即使最大限度地增加陸上風力發電量，風力發電也只能產生所需電力的一小部分。因此，即使碳排放限制相對寬松，并且任何可用的 FPP 大部分時間都在運行，這些次區域也需要核聚變發電。
相比之下，美國中部地區擁有豐富的可再生資源，尤其是風能。因此，只有在碳排放限制非常嚴格的情況下，核聚變才能在中部地區展開競爭，而 FPP 通常只有在可再生能源無法滿足需求時才會運行。
對為新英格蘭各州服務的電力系統的分析提供了非常詳細的結果。使用 MITEI 開發的建模工具，核聚變團隊探索了使用不同假設的影響，這些假設不僅涉及成本和排放限制，甚至還涉及影響特定 VRE 使用的潛在土地使用限制等細節。這種方法使他們能夠計算出開始安裝核聚變裝置的 FPP 成本。
他們還能夠調查“門檻”成本如何隨著碳排放上限的變化而變化。該方法甚至可以顯示 FPP 開始取代其他特定發電來源的價格。在一組運行中，他們確定了 FPP 開始取代浮動平臺海上風電和屋頂太陽能的成本。
“這項研究對核聚變商業化做出了重要貢獻，因為它為核聚變在電力市場的使用提供了經濟目標，”核聚變研究的聯合負責人、PSFC 前主任、日立美國核科學與工程系工程教授 Dennis G. Whyte 指出。“它更好地量化了核聚變開發商在定價、可用性和靈活性方面面臨的技術設計挑戰，以滿足未來不斷變化的需求。”
研究人員強調，雖然分析中包括了裂變發電廠，但他們并沒有對裂變和聚變進行“面對面”比較，因為還有太多未知數。聚變和核裂變都是可靠的低碳發電技術;但與裂變不同，聚變不使用裂變材料作為燃料，也不會產生必須管理的長壽命核燃料廢料。
因此，FPP 的監管要求與當今裂變發電廠的監管要求將大不相同，但具體差異尚不清楚。同樣，未來公眾對每種技術的看法和社會接受程度無法預測，但可能會對使用哪種發電技術來滿足未來需求產生重大影響。
研究結果傳達了有關核聚變未來的一些信息。例如，監管顯然可能成為一個巨大的成本驅動因素。這應該促使核聚變公司盡量減少燃料和活性材料方面的監管和環境足跡。它還應該鼓勵政府采取適當和有效的監管政策，以最大限度地提高利用核聚變能源實現脫碳目標的能力。
對于開發聚變技術的公司來說，該研究的信息在報告中明確闡述：“如果本報告中確定的成本和性能目標能夠實現，我們的分析表明，聚變能可以在滿足未來電力需求和實現全球凈零碳目標方面發揮重要作用。”
