Энергию термоядерного синтеза часто называют безграничным источником чистой энергии, но новое исследование Принстонского университета предполагает, что это может быть правдой только при правильной цене.

В исследовании, проведенном экспертом по термоядерному синтезу Эгеменом Колеменом, доцентом кафедры машиностроения и аэрокосмической техники и Центра энергетики и окружающей среды Андлингера, и экспертом по энергетическим системам Джесси Дженкинсом, доцентом кафедры машиностроения и аэрокосмической техники и Центра энергетики и окружающей среды Андлингера Исследователи из Принстона смоделировали целевые показатели затрат, которым должен соответствовать термоядерный реактор, чтобы получить поддержку в будущей энергосистеме США.

Выводы, опубликованные в журнале Joule 16 марта, показали, что инженерные проблемы термоядерной энергии являются лишь частью проблемы, а другая часть связана с экономикой.

«Люди не будут платить неограниченную сумму денег за термоядерную энергию, если бы они могли потратить эти деньги на более рентабельное производство чистой энергии», — сказал Джейкоб Шварц, бывший постдоктор Колемен и Дженкинс, который руководил моделированием для исследования и в настоящее время работает. работал физиком-исследователем в Принстонской лаборатории физики плазмы. «Свыше определенной стоимости, даже если мы сможем их спроектировать, не многие разработчики захотят их создавать».

Результаты моделирования показали, что ниша для термоядерного синтеза в США зависит не только от стоимости строительства реактора, но и в значительной степени зависит от энергетического баланса будущей энергосистемы и стоимости конкурирующих технологий, таких как расщепление ядер .

Если рынок термоядерного синтеза будет благоприятным, то даже при капитальных затратах около 7000 долларов за киловатт мощность синтеза все равно может достичь 100 ГВт — примерно такая же мощность американских атомных электростанций, которые обеспечивают примерно пятую часть сегодняшних потребностей в электроэнергии . Но если предположить, что альтернативные технологии, такие как ядерное деление, водород, улавливание и хранение углерода или длительное хранение на батареях, успешно приживутся, капитальные затраты, возможно, должны быть меньше половины стоимости синтеза, чтобы достичь той же мощности в 100 ГВт.

«Разработчикам Fusion необходимо следить за конкуренцией, — объяснил Дженкинс. «В случае успешной коммерциализации термоядерные электростанции, вероятно, будут очень похожи на классические атомные электростанции с точки зрения рынков электроэнергии и сетей. Оба ресурса представляют собой сложные технологии с ограниченными техническими возможностями по соображениям безопасности, что приводит к высоким первоначальным инвестиционным затратам. переменные затраты на термоядерные электростанции в конечном итоге становятся низкими, термоядерные электростанции, вероятно, будут конкурировать лицом к лицу с новыми электростанциями деления».

Место Fusion в энергосистеме с интенсивным использованием возобновляемых источников энергии

Колемен объяснил, что подход исследователей помог установить конкретные цели для потенциальных разработчиков термоядерного синтеза, чтобы использовать их в качестве ориентиров при рассмотрении планов реакторов.

«Появляется множество стартапов в области термоядерного синтеза, все с разными конструкциями реакторов, заявляя, что они могут построить реактор на ту или иную сумму денег. Но почти невозможно выделить долларовые суммы на отдельные компоненты реактора», — сказал Колемен. «Поэтому вместо этого мы рассмотрели модель будущей сети с большим количеством возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, и работали в обратном направлении, чтобы понять цели затрат, которым, возможно, придется соответствовать термоядерным реакторам, чтобы занять место в этой будущей сети».

Определив целевые затраты для термоядерных реакторов в энергосистеме, в которой, вероятно, преобладают возобновляемые источники электроэнергии, такие как солнечная энергия и ветер, исследователи также получили информацию, которая может помочь в разработке будущих термоядерных реакторов.

Например, Шварц сказал, что энергия синтеза традиционно рассматривалась как источник энергии «базовой нагрузки», который будет работать почти непрерывно. Тем не менее, с широким распространением солнечной энергии и последующими дешевыми полуденными ценами на электроэнергию, исследования показывают, что было бы полезно добавить функциональность термоядерному реактору, чтобы он мог чаще включаться и выключаться, или рассмотреть способы хранения энергии реактора и продажи. это, когда это больше всего необходимо. Исследователи заявили, что интеграция хранилища в конструкцию термоядерного реактора может увеличить его стоимость до 1000 долларов за киловатт.

«Получение большей экономической ценности за счет сочетания накопления тепла и гибкой работы означает, что первые термоядерные электростанции могут конкурировать с более высокими первоначальными затратами», — сказал Дженкинс. «Эта более высокая цена выхода на рынок может стать ключом к запуску термоядерной промышленности и поможет снизить затраты с течением времени благодаря опыту и дополнительным инновациям».

Модель также предполагала, что наиболее перспективными местами для термоядерной энергии в США будут северо-восточные регионы, где местные возможности солнечной и ветровой энергии более ограничены, чем в других районах.

«Северо-восток не обладает таким же потенциалом геотермальной или гидроэнергии, как запад США, поэтому это место, где больше всего будет необходимо что-то помимо солнечной и ветровой энергии», — сказал Уилсон Рикс, соавтор исследования и аспирант. машиностроение и аэрокосмическая техника .

Изучение споров об импульсных и стационарных режимах

Помимо рассмотрения термоядерной энергии в контексте будущей энергетической сети, модель также дала первоначальные результаты, которые, по словам исследователей, могут помочь решить важный вопрос в сообществе исследователей термоядерного синтеза между жизнеспособностью стационарных и импульсных термоядерных реакторов.

Стационарный и импульсный режимы представляют собой два разных подхода к проектированию термоядерных реакторов. Стационарный термоядерный реактор будет работать как традиционная электростанция, работая почти постоянно. С другой стороны, импульсный термоядерный реактор необходимо будет останавливать на короткое время, а затем перезапускать каждый час или каждые несколько часов.

Хотя некоторые ученые сомневаются, что эксплуатационные требования к импульсным реакторам затруднят их интеграцию с остальной частью энергосистемы, результаты моделирования не показали существенной разницы между двумя конструкциями в отношении их воздействия на крупномасштабную сеть.

«Между двумя технологиями произошла своего рода битва за дизайн, поэтому было интересно, что наши первоначальные результаты показывают, что не было большой разницы в том, как они будут работать с остальной частью сети», — сказал Колемен. «С точки зрения модели лучший дизайн — это просто самый дешевый».

Исследователи дополняют свои выводы дополнительными исследованиями различных затрат и возможностей для стационарных и импульсных реакторов, а также того, как затраты на техническое обслуживание и ремонт также могут сыграть роль в проникновении термоядерной энергии на рынок США.

«Это исследование не претендует на то, чтобы знать, когда термоядерный синтез появится в сети. Возможно, термоядерным реакторам еще предстоит пройти десятилетия, прежде чем они окажут большое влияние на энергосистему. Это исследование дает нам четкую цель для исследователей термоядерного синтеза и стартапов, к которой они должны стремиться, когда они выходят в интернет», — сказал Колемен. «Конечная цель исследований в области термоядерного синтеза состоит в том, чтобы обеспечить некоторую ценность для США и энергосистемы. Теперь у нас действительно есть некоторые цифры, которыми мы можем руководствоваться».