麻省理工学院研究人员为核聚变发电构建经济可行性评估框架

在过去十年里，科学家们已经证明核聚变能作为一种物理过程是可行的。但下一个问题随之而来：它在经济层面是否同样可行？

麻省理工学院（MIT）教授丹尼斯·怀特（Dennis Whyte）与安德鲁·W·罗（Andrew W. Lo）联合撰写了一项研究，提出了一套评估核聚变能商业可行性的分析框架。该框架综合考量了维持受控核聚变持续产能所需的物理条件，以及建设能够在能源市场中参与竞争的发电厂所需的成本。

"这涉及在如此规模下寻找、调配和使用资金的一切事宜，"核科学与工程学教授怀特表示，"这对我们的工作至关重要。我们应该审视经济性问题。如果我们希望这项技术真正对全球经济产生意义，就必须正视这些话题。"

核聚变能利用的是驱动恒星运转的反应——轻原子核的聚合。由于聚变反应产生等离子体状态的燃料，通常需要用磁场加以约束或由强激光触发，因此也被称为"等离子体聚变"。怀特表示，其目标是在产生大量能源的同时，为社会提供在安全性、许可和选址方面具有吸引力的解决方案。

2022年，美国国家点火设施的研究人员实现了能量净增益反应，标志着聚变研究的重大突破。近年来，大量风险投资也涌入这一领域，但商业化核聚变发电在建设层面仍面临诸多挑战。

"将复杂的科学和工程要求转化为经济后果，是一项艰巨的任务，"罗说，"但如果我们不这样做，就无法获得实现目标所需的资金。"

这篇题为《核聚变电厂经济可行性标准》的开放获取论文已在《核聚变能源期刊》上在线发表。论文合著者包括：麻省理工学院日立美国工程讲席教授、核科学与工程学教授怀特；麻省理工学院斯隆管理学院查尔斯·E·哈里斯与苏珊·T·哈里斯讲席教授、金融学教授罗；拉瑟福德能源创投分析师、麻省理工学院等离子体科学与聚变中心研究员雷切尔·比拉耶夫；拉瑟福德能源创投的玛丽亚·汉考克与莱利·莫伊肯斯；以及拉瑟福德能源创投与麻省理工学院等离子体科学与聚变中心的吉纳维芙·肖。

怀特曾担任麻省理工学院核科学与工程系主任及等离子体科学与聚变中心主任，并联合创办了聚变领域领先企业、麻省理工学院衍生公司"联邦聚变系统"（Commonwealth Fusion Systems）。怀特与罗还共同创办了咨询与投资顾问机构拉瑟福德能源创投，目前正与美国能源部橡树岭国家实验室合作，为新一轮聚变研究构建联合体。

10个参数，适用于任何发电厂

怀特和罗在论文中提出的框架包含10个用于评估核聚变电厂经济可行性的参数。其中部分参数属于科学和物理层面，涉及特定电厂消耗与产生的能量；多数参数则属于工程和经济范畴，例如电厂建设成本。

该框架的重要灵感来源是20世纪50年代提出的"劳森判据"（Lawson Criterion）。劳森判据描述了温度、等离子体密度与能量约束时间的组合条件，在满足该条件时，等离子体可通过聚变产生净能量，而不依赖于其绝对功率或体积。具体而言，它计算出一个"等离子体Q值"，即聚变产生的功率与维持等离子体所需外部功率之比。

"劳森判据描述了从聚变等离子体获得能量增益的科学成功，而我们的框架则从整体上描述经济Q值，即资本收益与资本支出之比，"怀特解释道。

框架中的参数涵盖核聚变电厂的工程特性，包括功率密度、将聚变功率转化为经济产品的效率、能量转换组件的耐久性，以及评估资本投入与回报的成本和市场参数。正如怀特所说，该框架的核心是实现净正经济回报所需的条件，并将其应用于实际电厂设计。与等离子体Q值类比，框架所描述的经济Q值必须大于1，才能满足基本可行性要求。

研究人员已尝试多种产生和约束聚变能的方法。怀特强调，该框架"对任何聚变方案均保持完全中立，因为聚变的物理现实在于，你需要投入资金来建立产生聚变功率的能力"。此外，这些参数不依赖于任何特定反应堆的规模，框架设计使得任何输入值都可以按给定项目或功率输出进行缩放。

"无论核聚变电厂规模大小，核心逻辑是一致的：产出的资金必须超过投入的资金，否则它就无法长久存续，"罗说。

弥补缺失的一环

怀特和罗表示，撰写这篇论文的动力之一，是强调在聚变研究中尽可能严格核算所有成本的重要性。研究人员虽然对基础实验成本了如指掌，但估算聚变反应堆的成本是另一回事，而这恰恰是该领域领导者需要越来越重视的课题。

随着新一轮资金持续涌入核聚变能源行业，这一课题愈发紧迫。就在上周，联邦聚变系统刚刚完成了一轮新的十亿美元融资，该公司希望在2030年代于弗吉尼亚州建成首座运营中的发电厂。

罗承认，在开发第一座商业核聚变反应堆的过程中，将面临诸多不确定性和艰难抉择。但一旦成功，该行业或许将走上能源及其他行业惯常的"边做边学"之路，推动发电厂随着时间推移变得更具经济性。

"这种'边做边学'的规律存在于所有深度技术领域，"罗说，他指出人类基因组测序的成本与约25年前相比已降低了百万倍，"我们将在核聚变能源领域看到同样的趋势，尽管降幅可能不会那么极端。"

罗长期致力于探索生物技术领域科学研究获取金融支持的途径，目前正在麻省理工学院斯隆管理学院启动一项名为"CATAPULT"的新教育项目，旨在为各学科人员提供更多工具，帮助他们将研究成果转化为产品。

谈及核聚变，罗表示："现在显然已经可以开始评估其经济可行性了。"尽管建造一座商业核聚变电厂可能涉及数千个具体决策，但研究团队认为，他们提出的整体方法能够帮助人们对所有工作进行量化评估。

"当你拥有一个可以定量评估的框架，它就能告诉你做出特定设计决策的实际价值所在。在核聚变发展的这一关键时刻，这一点显得尤为重要，也正是我们此前一直缺失的，"怀特说。

Q&A

Q1：麻省理工学院提出的核聚变电厂经济可行性框架包含哪些核心内容？

A：该框架共包含10个评估参数，涵盖科学、物理、工程和经济多个维度，具体包括电厂的功率密度、聚变功率转化效率、组件耐久性，以及建设成本和市场回报等指标。框架借鉴了劳森判据的思路，提出"经济Q值"概念，即资本收益与资本支出之比，该值必须大于1才满足基本经济可行性。

Q2：劳森判据和经济Q值有什么区别？

A：劳森判据是20世纪50年代提出的物理判据，用于描述温度、等离子体密度和能量约束时间的组合条件，计算"等离子体Q值"，即聚变产生功率与维持等离子体所需外部功率之比，衡量的是物理层面的能量增益。经济Q值则是麻省理工学院研究团队提出的新概念，衡量的是资本收益与资本支出之比，反映核聚变电厂在商业层面能否实现正向回报。

Q3：联邦聚变系统目前的进展如何？

A：联邦聚变系统是麻省理工学院的衍生公司，也是核聚变行业的领先企业之一。该公司近期完成了一轮新的十亿美元融资，计划在2030年代于美国弗吉尼亚州建成并投运其第一座商业核聚变发电厂。