2023年核聚变能源报告-未来能源结构的关键英文版

聚变能 未来能源的关键建筑 关键要点 全球问题和激进解决方案 目前全球可再生能源发展的速度使得到2050年实现无排放能源供应的可能性不大。如果没有激进的新方法，巴黎气候目标将被错过。聚变能源可能是及时实现可持续能源架构的关键。快速组合 聚变能的商业化和最快的可再生能源建设可能使巴黎的2050年净零目标最终实现 决定性优势 作为第一个气候中性能源，聚变也具有基本负荷能力和易于扩展的能力。操作所需的原材料是可用的 worldwideandaresufficedforsecureandaffordableelectricityoversupply.Inthelongterm,theenergycostsfromfusionareexpectedtobebelow 今天的可再生能源 为什么只有现在 在材料，计算和激光研究方面的新突破使剩余的挑战变得越来越易于管理，并带来了“圣杯” ofenergygenerationwithinreach.Progressisreflectedinrapidlyincreasingprivateinvestmentincommercialfusionstarts.Withmodernapproaches 以及更快的创新和决策周期，他们的目标是比政府研究更早的突破：他们的目标是实现融合能源在2030年代 Strategy 各国现在正将自己定位为首次商业使用融合的竞赛。在德国，联邦教育和研究部 （BMBF）于2023年6月发表了关于聚变能的战略论文。德国在这方面的立场是（时间-）至关重要的。在学术研究中， countryholdsaleadingposition—butinenterpreneuringterms,itisabouttobeleftbehind.Therefore,boldactionisneedednow.Anationalfusionenergy 战略可以将这一立场转变为成功的议程，并可以将融合发展为德国经济的引擎 聚变能 战略&来源：战略与分析2 预测显示：可再生能源的全球扩张是到2050年还不足以实现无排放发电 可再生能源的扩张只能满足额外的需求-社会仍然依赖化石能源 PWh对电能的全球需求以及按来源划分的预期覆盖范围： 步骤：陈述政策方案1 – 80 NOW 60 •2050:电力需求增加 50+85%在今天 保守方案 （“现实路径”） 国际能源 Agency 40 21 204 0 43 35 272432 815 •可再生能源扩展 of+300%需要 •化石电源 保持在当前 levels 一个不方便的事实： APS：宣布认捐方案1 – 201020202030 80 NOW 60 20402050 61 49 •2050:电力需求增加 +130%在今天 当今全球可再生能源扩张 每十年~3.3PWh的能量速率2 通过以下方式实现净零排放能源供应 中等场景 4036 •可再生能源扩展 49 （“意向声明”）21 271834 of+550%需要 2050年（净零情景）不太可能 国际能源 2048 •化石电源 在今天的50% Agency NZE:净零 到2050年的排放量1 – 雄心勃勃的场景 （“期望目标”） 0 20102020203020402050 8073 NOW 6058 403865 212750 levels •2050:电力需求增加 +190%在今天 •可再生能源扩展 of+750%需要 如果没有全新的方法全球能源架构的转变，巴黎气候目标将被一个显著的利润率 国际能源 204823 •几乎没有更多化石燃料动力源 Agency 0 20102020203020402050 来自可再生能源的电力从氢气等。从核能来自化石燃料 聚变能战略& 来源：1）IEA2022年世界能源展望：GEC全球能源与气候模型；2）IEAGEC2010年至2020年全球可再生能源发展； 战略与分析3 聚变能量可能是可持续发展的关键，充足和负担得起的能源供应 PWh对电能的全球需求以及按来源划分的预期覆盖范围： 步骤：陈述 80•保守的步骤 政策方案1 – 潜在解决方案：保守方案 NOW 场景:“现实的 可再生能源扩张率“和”，因此高度依赖 聚变能量可能是及时缺失的关键实现可持续能源架构 快速商业化的结合聚变能和最快的可能 可再生能源的扩张使净零 到2050年巴黎气候协定的目标最终可以实现 （“现实路径”） 国际能源60 Agency 40 21 204 0 50 43 35 32 24 2715 819 13 1 来自化石的电来源”。 •Ramp-upof在当量率 核能在 20世纪，从调试第一 发电厂在2030年 •2050: 聚变能 最终残差依赖性-Denceon13PWhof来自化石的电 2050年的资料来源。 20102020203020402050 来自聚变能的电力 来自可再生能源的电力从氢气等。从核能来自化石燃料 聚变能 战略&来源：1）IEA2022年世界能源展望：GEC全球能源与气候模型；战略与分析4 聚变能：那是什么？-原理，简单解释 原料锂和水的“融合”产生了大量的绿色电力和氦气 锂 绿色动力 回收锂来自 聚变能产生 旧电池可以 大量的热量，这是 用作原材料 通过蒸汽转换成 聚变能。 大量的电力到电力 Fusion 许多家。 Water 氦气 第二种原材料 氦气是直接产品 所需来自 聚变反应。这个 传统海水，一种 该反应本质上是 将使融合成为第一个 无所不在的组件。 安全-任何中断 可持续生产方式 这个过程简单地导致 氦气不使用 聚变停止。 化石燃料。 聚变能 战略&来源：战略与分析5 为什么只是现在：新技术可能会带来“圣杯” 触手可及 材料、计算和激光研究领域的突破 技术和社会大趋势推动进步：科学知识满足 社会需要非限制性的可持续和负担得起的能源供应。 高温高性能 超导磁体和量子计算机 •新一代高性能磁铁：大多数•对聚变反应堆的控制过于复杂 重要的机械反应器部件到目前为止，一直是一个交易破坏者 •超导在更高的温度，因此第一次两个明显更强大更高效的操作 •计算能力日益达到要求 levels 量子计算机可以实现前所未有的控制任务并行化 人工智能高功率激光器 •在研发方面，AI显著加速创新周期•激光峰值功率的显着增加（因子为 用于设计新材料和工艺 •在操作中，首次使用AI实现复杂的优化和控制实时参数 20inadecade1,2)inamorecompactpackageenables 惯性聚变的新设计 •同时，激光电源成本迅速降低 (每200倍 十年内的PW功率1,2) 战略& 资料来源：1）劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，美国国家点火设施，2009年；2）极端光基础设施-核物理（ELI-NP），罗马尼亚， 2019年；战略与分析6 因此，各国越来越为 第一次商业使用聚变能源的竞赛 英国、美国、日本和最近的德国也发表了关于聚变能的初步战略文件 UnitedKingdomJapan 2021年10月1日12023年4月14日3 国内融合建设战略工业，商业示范， 建立法律框架，以及促进公私伙伴关系。 通过战略和 国内高科技的金融推广 行业，建立法律框架，以及促进公私伙伴关系。 美国Germany 2022年4月19日22023年6月23日4 加速商业实施，政府与私人的合作创新，美国部协调 能源，加大财政补贴。 构建“融合生态系统” “技术中心”，创建法律框架和宣传- 私人伙伴关系。 聚变能战略& 资料来源：1）迈向聚变能源：英国政府的聚变战略；2）关于制定商业聚变能源的大胆十年愿景的白宫峰会； 3）日本聚变能源创新战略；4）BMBF关于聚变研究的立场文件；战略与分析7 与现有可再生能源相比的决定性优势：Fusion 能源同时具有基本负载能力且易于扩展 今天，只有化石能源具有基本负荷能力，只有可再生能源是无排放的。 Fusion是第一个管理平衡行为的人 煤炭 天然气 Hydro 风 太阳能 Fusion 环境影响所需资源(建筑)所需资源(操作)依赖关系（在欧盟以外）可扩展性基本负载能力 Low介质 高 无温室气体 仅支持基本负载 可用性独立 聚变燃料可以 排放 可再生能源技术 天气和一天的时间 在国内获得 聚变能战略& 来源：战略与分析 8 可用于聚变的原材料的能量量 全球范围内足以满足安全和廉价的能源供过于求 最小的数量足以满足我们的整个电力需求： “典型”1,000MW发电厂的资源需求 煤炭320万吨 =天然气 130万吨 =风 250台涡轮机 =太阳能 3400万平方米 =Fusion 250kg燃料 每年 每年 （陆上级4MW） 光伏发电 每年 ...或货运列车 ...或货运列车 ...或多达 ...或总表面 ...或单个 只要汉堡 只要汉堡 德国目前 地区从柏林的 运输 南特 伊斯坦布尔 在四个月内构建 米特区 加载到发电厂 1,100公里长1,900公里长 聚变能 战略&来源：战略与分析9 规模经济可以使之成为可能：电价从可再生能源水平的聚变-甚至更低 开发和建设占核聚变生命周期成本的70％以上3-随着扩展，这些将显著减少 电力平准化成本1-5欧元/千瓦时(发电的终生成本) 煤炭天然水电 气体 当前研究2预计聚变能实现电价可比 今天的可再生能源。 风太阳能Fusion小型商业融合设计-因此 岸上离岸屋顶光伏屋顶光伏 和电池 30 25 20 15 10 5 区域PV区域PV 和电池 较低的初始投资额-甚至可能启用低于今天的电价 可再生能源。 随着技术的成熟，融合(就像所有的其他能源技术来源 低运营成本)将在初始投资后的成本。 为了进行比较，电能的成本 来自风的下降了70%，来自光伏的下降了70% 近年来90%4. 0 聚变能战略& Source:1)FraunhoferISE;2)ThomasGriffithsetal.2022Prog.Energy4042008;3)AnEnergyTechnologyDistillatefromtheAndlingerCenterforEnergyandthe 普林斯顿大学的环境；4）拉扎德的能源成本分析-15.0版；5）德国联邦议院；战略与分析10 剩下的挑战，直到核聚变的商业成熟预计今天可用的技术是可管理的 Engineering经济政治Society 仍有许多挑战需要解决 在第一个高性能聚变发电厂能够被建造-这些主要包括工程任务。 当前的重点是建造一个产生比连续消耗更多的电力输出操作(“示范反应堆”)。 提高能源效率 的设计 控制系统能力 提高效率 操作 确保供应关键原材料 国家的发展聚变能战略 监管的发展 框架 管理高初始投资水平 创造意识和对聚变能的理解 与以前的重大技术突破一样 -人类的第一次飞行，第一次核动力- 演示可以从根本上进一步加速像火花一样的发展。 耐热和耐辐射 材料 专用机设计 组件 聚变燃料加工 聚变能的集成 进入国家能源结构 长期投资 专有技术合作和 IP管理 促进投资 和补贴融资 国际推广 合作 公法讨论与 国家机构 专有技术的发展 和专家培训对于感兴趣的读者，所有的细节一目了然 聚变能量技能树：碳中和道路上的技能， 为每个人提供安全和负担得起的能源 紧凑且可扩展的电源 工厂设计 优化反应热转化为电能 利益相关者市场定位 最初的挑战实施 挑战 进一步的商业建立 根据要求提供 聚变能 战略&来源：战略与分析11 商业化的进展反映在最近的 私人融合初创公司的数量大幅增加 商业聚变能的国际竞赛已经开始：各种聚变项目的开始日期 1991•ASDEX升级 1996•飞马座环形实验 2000 2005 •SST-12006•EAST 2020•MAST-U •AlcatorC-Mod 1999 •CDX-U 2007 •HL-2M 1992 •国家球形圆环 •MAST •J-TEXT 2010 2015 2021