在過去十年裡，科學家們已經證明核聚變能作為一種物理過程是可行的。但下一個問題隨之而來：它在經濟層面是否同樣可行？
麻省理工學院（MIT）教授丹尼斯·懷特（Dennis Whyte）與安德魯·W·羅（Andrew W. Lo）聯合撰寫了一項研究，提出了一套評估核聚變能商業可行性的分析框架。該框架綜合考量了維持受控核聚變持續產能所需的物理條件，以及建設能夠在能源市場中參與競爭的發電廠所需的成本。
"這涉及在如此規模下尋找、調配和使用資金的一切事宜，"核科學與工程學教授懷特表示，"這對我們的工作至關重要。我們應該審視經濟性問題。如果我們希望這項技術真正對全球經濟產生意義，就必須正視這些話題。"
核聚變能利用的是驅動恆星運轉的反應——輕原子核的聚合。由於聚變反應產生等離子體狀態的燃料，通常需要用磁場加以約束或由強雷射觸發，因此也被稱為"等離子體聚變"。懷特表示，其目標是在產生大量能源的同時，為社會提供在安全性、許可和選址方面具有吸引力的解決方案。
2022年，美國國家點火設施的研究人員實現了能量淨增益反應，標誌著聚變研究的重大突破。近年來，大量風險投資也湧入這一領域，但商業化核聚變發電在建設層面仍面臨諸多挑戰。
"將複雜的科學和工程要求轉化為經濟後果，是一項艱巨的任務，"羅說，"但如果我們不這樣做，就無法獲得實現目標所需的資金。"
這篇題為《核聚變電廠經濟可行性標準》的開放獲取論文已在《核聚變能源期刊》上在線發表。論文合著者包括：麻省理工學院日立美國工程講席教授、核科學與工程學教授懷特；麻省理工學院斯隆管理學院查爾斯·E·哈里斯與蘇珊·T·哈里斯講席教授、金融學教授羅；拉瑟福德能源創投分析師、麻省理工學院等離子體科學與聚變中心研究員雷切爾·比拉耶夫；拉瑟福德能源創投的瑪麗亞·漢考克與萊利·莫伊肯斯；以及拉瑟福德能源創投與麻省理工學院等離子體科學與聚變中心的吉納維芙·肖。
懷特曾擔任麻省理工學院核科學與工程系主任及等離子體科學與聚變中心主任，並聯合創辦了聚變領域領先企業、麻省理工學院衍生公司"聯邦聚變系統"（Commonwealth Fusion Systems）。懷特與羅還共同創辦了諮詢與投資顧問機構拉瑟福德能源創投，目前正與美國能源部橡樹嶺國家實驗室合作，為新一輪聚變研究構建聯合體。
10個參數，適用於任何發電廠
懷特和羅在論文中提出的框架包含10個用於評估核聚變電廠經濟可行性的參數。其中部分參數屬於科學和物理層面，涉及特定電廠消耗與產生的能量；多數參數則屬於工程和經濟範疇，例如電廠建設成本。
該框架的重要靈感來源是20世紀50年代提出的"勞森判據
"（Lawson Criterion）。勞森判據描述了溫度、等離子體密度與能量約束時間的組合條件，在滿足該條件時，等離子體可通過聚變產生淨能量，而不依賴於其絕對功率或體積。具體而言，它計算出一個"等離子體Q值"，即聚變產生的功率與維持等離子體所需外部功率之比。
"勞森判據描述了從聚變等離子體獲得能量增益的科學成功，而我們的框架則從整體上描述經濟Q值，即資本收益與資本支出之比，"懷特解釋道。
框架中的參數涵蓋核聚變電廠的工程特性，包括功率密度、將聚變功率轉化為經濟產品的效率、能量轉換組件的耐久性，以及評估資本投入與回報的成本和市場參數。正如懷特所說，該框架的核心是實現淨正經濟回報所需的條件，並將其應用於實際電廠設計。與等離子體Q值類比，框架所描述的經濟Q值必須大於1，才能滿足基本可行性要求。
研究人員已嘗試多種產生和約束聚變能的方法。懷特強調，該框架"對任何聚變方案均保持完全中立，因為聚變的物理現實在於，你需要投入資金來建立產生聚變功率的能力"。此外，這些參數不依賴於任何特定反應堆的規模，框架設計使得任何輸入值都可以按給定項目或功率輸出進行縮放。
"無論核聚變電廠規模大小，核心邏輯是一致的：產出的資金必須超過投入的資金，否則它就無法長久存續，"羅說。
彌補缺失的一環
懷特和羅表示，撰寫這篇論文的動力之一，是強調在聚變研究中儘可能嚴格核算所有成本的重要性。研究人員雖然對基礎實驗成本了如指掌，但估算聚變反應堆的成本是另一回事，而這恰恰是該領域領導者需要越來越重視的課題。
隨著新一輪資金持續湧入核聚變能源行業，這一課題愈發緊迫。就在上周，聯邦聚變系統剛剛完成了一輪新的十億美元融資，該公司希望在2030年代於弗吉尼亞州建成首座運營中的發電廠。
羅承認，在開發第一座商業核聚變反應堆的過程中，將面臨諸多不確定性和艱難抉擇。但一旦成功，該行業或許將走上能源及其他行業慣常的"邊做邊學"之路，推動發電廠隨著時間推移變得更具經濟性。
"這種'邊做邊學'的規律存在於所有深度技術領域，"羅說，他指出人類基因組測序的成本與約25年前相比已降低了百萬倍，"我們將在核聚變能源領域看到同樣的趨勢，儘管降幅可能不會那麼極端。"
羅長期致力於探索生物技術領域科學研究獲取金融支持的途徑，目前正在麻省理工學院斯隆管理學院啟動一項名為"CATAPULT"的新教育項目，旨在為各學科人員提供更多工具，幫助他們將研究成果轉化為產品。
談及核聚變，羅表示："現在顯然已經可以開始評估其經濟可行性了。"儘管建造一座商業核聚變電廠可能涉及數千個具體決策，但研究團隊認為，他們提出的整體方法能夠幫助人們對所有工作進行量化評估。
"當你擁有一個可以定量評估的框架，它就能告訴你做出特定設計決策的實際價值所在。在核聚變發展的這一關鍵時刻，這一點顯得尤為重要，也正是我們此前一直缺失的，"懷特說。
Q&A
Q1：麻省理工學院提出的核聚變電廠經濟可行性框架包含哪些核心內容？
A：該框架共包含10個評估參數，涵蓋科學、物理、工程和經濟多個維度，具體包括電廠的功率密度、聚變功率轉化效率、組件耐久性，以及建設成本和市場回報等指標。框架借鑑了勞森判據的思路，提出"經濟Q值"概念，即資本收益與資本支出之比，該值必須大於1才滿足基本經濟可行性。
Q2：勞森判據和經濟Q值有什麼區別？
A：勞森判據是20世紀50年代提出的物理判據，用於描述溫度、等離子體密度和能量約束時間的組合條件，計算"等離子體Q值"，即聚變產生功率與維持等離子體所需外部功率之比，衡量的是物理層面的能量增益。經濟Q值則是麻省理工學院研究團隊提出的新概念，衡量的是資本收益與資本支出之比，反映核聚變電廠在商業層面能否實現正向回報。
Q3：聯邦聚變系統目前的進展如何？
A：聯邦聚變系統是麻省理工學院的衍生公司，也是核聚變行業的領先企業之一。該公司近期完成了一輪新的十億美元融資，計劃在2030年代於美國弗吉尼亞州建成並投運其第一座商業核聚變發電廠。
