追求理想特征：核聚变发电的优化方案

许多国家都在致力于聚变能量的研究，其历史已大约有六十年之久，各国之间的协作度和规模或许是人类史上独一无二的。这种空前的合作横跨了很多年，甚至平时是在其他方面处于敌对关系的许多国家这段时间大部分也团结合作，这其中的原因有两个：聚变能如果变成现实的话，它将具有巨大潜能；实际中核聚变发电很难实现。首先我们来讨论下它的一些理想的特征。

用于D-T甚至D-D反应堆原料的材料很丰富、很容易提炼，提炼成本也不是很大。假设电厂净电效率为33%，那么从水中提取的氘用在D-D聚变反应堆中，每吉焦耳（278kW·h）的电能所消耗氘的成本大概只要0.02～0.03美元。对于D-T反应堆每次反应产生的能量更多，每吉焦耳电能消耗氘的成本大约为0.003～0.005美元；如果用锂生成氚，则每吉焦耳电能消耗氚的成本只要0.001～0.002美元。因此，原料的成本可以忽略不计，由于材料的枯竭需要很长时间，所以成本也不会提高。如果用D-T反应堆，地球上水中氘数量可以生产10²²GJ的电能是现在全世界每年产电量的10¹¹倍以上；或者采用D-D反应堆，所产生的电能是全世界产电量的10¹⁰倍以上。对于D-T反应堆，需要通过锂的可用性生成氚，同时需要设置更多的燃料细节。锂可以从干盐湖或者盐水湖中提取，价格非常便宜，在美国西部有很多这样的区域，这些廉价的表面盐储层中估计包含了足以生产大约3×10¹⁴GJ电能的锂^[4]，这个数量大概是世界每年主要能源消耗的500～600倍。美国只占全世界地表的6%，还有很多其他的干旱区域蕴含这种表面盐储备，这些表层盐储备足够全世界用几个到几十个世纪。更多的锂（大约10³倍或者更多）溶解在海洋中，可以采用类似于那些目前用于提炼海盐的蒸发技术，但是成本有点高。

聚变反应堆每年生产1GW的电能，大概需要1t的燃料，产生的废弃物为氦；而相同容量的燃煤电厂，则需要200万倍的这种碳，甚至更多的煤，数量主要跟电厂的构造有关，同时还生成大量的废弃煤渣。与化石燃料相比聚变反应堆的燃料和废品运输可以忽略不计算，这意味着聚变发电几乎不对交通运输的基础设施带来压力，节省了运输煤炭所需要的化石燃料的消耗。

聚变反应堆不直接排放二氧化碳或其他温室效应气体，或者任何产生酸雨的燃烧产物，由燃料集中和运输、工厂建设和维护等因素产生的间接排放小，需要的燃料储存也小。因此，聚变发电不会对全球变暖、大气质量，以及海洋、湖泊和小溪的酸化有明显不利的影响。

不像裂变反应堆，聚变反应不需要通过链反应运转，因为聚变反应的产物自身并不会激发进一步的聚变反应。因此，不存在反应链逃逸导致聚变反应堆融化的危险。此外，即使大型聚变反应堆中，其能量约束的时间也非常短（几秒钟时间），反应堆介质中储存的总能量也很小，慢化层中的余热比裂变反应也要小得多。因此，聚变反应堆可能发生的最糟糕的事故也应该只对反应堆有影响，而对社会不会有影响。(www.xing528.com)

和裂变反应一样，聚变反应也产生放射性废弃物。但是它们之间突出的区别是，裂变废弃物由大量来自燃料的裂变产物构成，电厂设计师很难控制，而聚变废弃物则包括很多由中子激活了的结构成分。相对于裂变反应堆而言，适当选择聚变反应堆的构造材料，其长期废弃物的数量可以大大减小。例如，假设采用钒合金材料，则反应堆部分的放射性水平在25年可以降到煤灰的放射性水平，不需要地质存储。碳化硅复合材料在放射性方面要比钒合金更好，关闭后一年的放射性水平会低于煤灰，但是它的制造比钒合金要难。

由聚变反应引起的核武器扩散风险要比裂变反应低得多。聚变电厂不需要控制裂变材料。采用的材料如果能制成可裂变的武器级材料，那么这些材料需要限制在增殖包层，应该能够通过γ射线很容易监测到，除此之外γ射线不应该出现在聚变能发电厂。至少，聚变电厂的最初几个阶段应该对大批量使用氚进行控制，这些氚可用于增加核武器的效率。但是，除非与武器级别的裂变材料相结合，否则氚在核武器中是没用的，所以如果聚变电厂最终完全取代了裂变电厂设施，那么用氚提升武器效率的潜力就微乎其微了。

不像太阳能或者生物能，聚变是一种高能量密度的电源，所以用于工厂或者燃料收集的土地数量较小。因为它不生成二氧化碳或者其他不希望得到的气体，所以没必要将电厂建那些适合温室气体储存的地质建造附近。电厂可以设计成即使发生最糟糕的事故都不需要任何大规模的撤离。因为大量能量的生产只需要很少燃料，所以电厂中用于燃料储备所需的存储空间以及运输通道可以忽略不计。因此，聚变电厂将会是一个稳定的电源，可以建在电厂所服务的市场附近。

聚变发电的经济效益稍后会有论述，但是可以先作出如下合理预测，即电能的总成本将有可能与带有燃料循环和重锕系元素废物存储的可持续裂变电力的成本相媲美，同时与带有二氧化碳存储功能的燃煤电力成本差不多。