可控核聚变产业链前瞻

核聚变行业深度：各国进展、商业化、市场空间、产业链及相关公司深度梳理

核聚变发电具有更低的燃料成本、燃料资源充足、不会对环境造成危害以及更高的安全性等优势，被誉为“人类终极能源”。

国际核能大国分别给出了聚变能发展规划，在关键节点DEMO的设计、建造、运行上，美国、欧盟、俄罗斯、日本和印度等分别给出了2035年左右的时间规划。

围绕核聚变，下面我们从核能入手，了解核聚变区别于核裂变的优势特征，以及常见的技术路径及其中国际主流技术路线——托卡马克装置。

了解核聚变在美欧日俄及我国的进展情况、当今全球的主要核聚变项目、商业化进程、市场空间等情况，并进行产业链梳理，展望今后核聚变商业化道路进程，方便读者深入了解这一行业。

核能

核能是一种非常高效的清洁能源，它是由物质元素的原子核发生改变而放出的能量。

核能与我们所熟悉的支持生命过程的化学能不同，它是原子的核内能量而不是核外能量，而参与生命物质转化的化学能都是核外能量，这些化学反应都不会引起原子核的变化。

核变化所释放的能量主要分为两大类：核裂变（nuclear fission），即重元素的原子核分裂为质量较轻元素的原子核时所释放的能量，称为核裂变能；

核聚变（nuclear fusion），即小质量元素的原子核聚合成为重核所释放的能量，称为核聚变能。

核聚变

核聚变是两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。核聚变反应发生在一种叫作等离子体的物质状态中。

等离子体是一种由正离子和自由移动的电子组成的高温带电气体，具有不同于固体、液体和气体的独特性质。

只要将氢的同位素氘和氚的原子核无限接近，使其发生聚变反应，就能释放出巨大能量。核裂变是从原子核分裂中获得能量，而核聚变则是通过将原子核结合而释放能量。

虽然两种原子反应都是通过改变原子而产生能量，但它们的根本区别对安全却有广泛的影响。相较于核裂变，核聚变有以下优势：

核聚变产生的能量巨大

核聚变产生的能量非常大——是核裂变反应的四倍，而且聚变反应可以成为未来聚变动力堆的基础。各种计划要求第一代核聚变反应堆使用氘（重氢）和氚（超重氢）的混合物。

理论上，只要有几克这些反应物，就有可能产生一太（万亿）焦耳的能量，这大约是发达国家的一个人在60年内所需要的能量。

核聚变的燃料丰富，也很容易获得

只要将氢的同位素氘和氚的原子核无限接近，使其发生聚变反应，就能释放出巨大能量。

氘可以从海水中廉价提取，而氚则可以利用聚变产生的中子与丰富的天然锂反应产生。这些燃料供应可持续数百万年之久。

核聚变安全可靠

未来的聚变反应堆在本质上也是安全的，不会产生高放射性、长衰变期的核。由于核聚变过程难以启动和维持，因此不存在失控反应和熔毁的风险；

核聚变只能在严格的操作条件下发生，超出这个条件（例如在事故或系统故障的情况下），等离子体将自然终止，很快失去其能量，并在对反应堆造成任何持续损害之前熄灭。

核聚变清洁环保

核聚变，就像核裂变一样，不会向大气层排放二氧化碳或其他温室气体。

核聚变的技术路径

地球上实现可控核聚变，就需要对高温等离子体进行约束。在聚变反应中，实现高温等离子体约束的方式主要有三种：

引力约束

引力约束是指通过物质自身质量产生巨大的引力来实现对等离子体的约束，比如太阳自身具有强大的引力，在高温和高压的合力下，让氢核裸露出来，相互碰撞产生持续源源不断的核聚变。

磁约束

磁约束是利用磁场约束带电粒子沿磁力线运动，发生核聚变反应需要把核聚变燃料氘氚加热到上亿度，形成等离子体，使得质子不被电子包裹，做高速热运动，两个质子发生碰撞的概率越高。

由于等离子体温度极高，科学家通过磁场约束质子运动，从而避免等离子体接触到容器，这种装置是托克马克。

惯性约束

惯性约束采用多台超大功率激光器，对准封装核燃料的氢气小球，同时发射激光，加热和压缩氢燃料，激光在进入环空器后，会击中内壁并使其发出X射线。

然后这些X射线可以将其加热到1亿摄氏度，高能激光会使小球表面等离子体化，其余中心材料受到牛顿第三定律驱使，最终会向中央坍缩发生内爆。

在内爆时，只要对燃料球给予正确的高温高压就能发生链式反应，随之便会放出大量能量。其中托卡马克磁约束聚变是国际主流技术路线，可行性得到了验证。

托卡马克装置

托卡马克装置已成为可控核聚变的主要途径。托卡马克装置的中央是一个环形真空室，里面注满气体，外面缠绕着线圈。

线圈通电后，会在托卡马克内部产生巨大的螺旋型磁场，里面的气体将被电离成等离子体并形成等离子体电流。当等离子体被加热到极高温度后，便可实现核聚变。

利用不同核聚变实现方式而建设的托卡马克装置，其等离子体运行模式有多种，不同托卡马克装置尺寸、性能不同，能量约束模式也有所区别。

其中，磁约束类型托卡马克是目前全球研发投入最大、最接近核聚变点火条件、技术发展最成熟的途径。

超导材料是未来托卡马克装置的重要组成部分，超导托卡马克诞生。所有托卡马克的终极目标是将氘氚聚变原料加热到点火点或更高的温度，并加以控制地持续尽可能长的反应时间，以追求连续的聚变能量输出。

即使采用导电性良好的铜作为导体绕制线圈，由于电流巨大线圈不可避免地存在发热问题，从而限制了磁约束核聚变的长时间稳态运行。

由于超导体具有零电阻效应，且承载电流密度更高有利于建造更加紧凑、更高场强的聚变装置，能够有效改善长脉冲稳态运行。

20世纪后期，科学家们开始把超导技术用于托卡马克装置。为了解决常规托卡马克的瓶颈，超导技术便被引入到了托卡马克建设中。

可控核聚变技术发展路线趋势

我国确定了以磁约束聚变发展技术路线，关键技术领先全球

我国可控核聚变研究始于20世纪50年代中期，1972年开始研制我国第一台铁芯变压器托卡马克装置CT-6，1995年建成了我国第一台超导托卡马克装置HT-7。

2002年建成了第一台具有偏滤器位形的中国环流器二号Ａ装置（HL2A），2006年世界上第一台全超导托卡马克装置东方超环（EAST）首次成功放电。

2020年中国环流器二号Ｍ装置（HL-2M）升级改造完毕实现首次放电，根据中国磁约束聚变发展路线的计划，在本世纪中期可以完成第一座用于商业发电的原型聚变电站（PFPP）的建设。

在技术方面，EAST于2021年分别实现了1.2亿摄氏度等离子体稳态运行101秒以及7000万摄氏度离子体稳态运行1056秒的成绩，均创造了托卡马克实验装置运行的世界纪录。

2023年4月，EAST装置获得403秒稳态高约束等离子体，创造该参数下运行时间新的纪录。

2023年8月，HL-3首次实现100万安培等离子体电流高约束模运行，再次刷新中国磁约束聚变装置运行纪录，关键技术领先全球。

美国在核聚变惯性约束技术路线研究发面领先全球

10月30日，美国可控核聚变第四次点火成功，前四次可控核聚变实验均实现净能量增益，其中第四次向目标提供2.2MJ能量后，产生的核聚变能量3.4MJ。

根据中国工程院院士杜祥琬12月14日接受《环球时报》记着采访表示，美国此次开展的激光能可控核聚变，根本目的是研究核武器相关的物理问题。

美国国家点火装置由美国能源部下属管理核武器的国家核安全局负责运行，它的主要任务是实现能产生高能量的聚变反应，并为美国核武器储备的维护提供指导。

各国进展情况

当前世界共有50多个国家正在进行140余项核聚变装置的研发和建设，并取得一系列技术突破，IAEA预计到2050年世界第一座核聚变发电厂有望建成并投入运行。

其中主要的技术路线是使用磁约束的托卡马克和仿星器，有少数国家进行激光惯性约束的研究。

美国：已实现Q比大于1

NIF：2022年12月13日，美国国家点火设施（NIF）首次实现聚变点火，创造了聚变能试验纪录，有力推动了激光驱动聚变能量的发展前景。

2023年，NIF又接连进行了三次点火实验，分别在7月30日、8月8日和10月30日，都成功地实现了核聚变能量超过激光能量，其中最高一次达到了3.88MJ，比输入能量增加了89%，相当于燃烧300公斤的汽油。

SPARC：麻省理工学院等离子体科学与融合中心（PSFC）主持研究开发了新一代的托卡马克核聚变堆SPARC，于2021年开始建造，为期四年完成。

SPARC使用由新型高温钇钡钡铜氧化物（YBCO）制成的强力磁体来产生等离子体，产生的能量是在高温下维持等离子体所需能量的两倍，从而使融合增益Q>2，并能在10秒内实现高达140MW的聚变功率。

相关研究表明，SPARC理论上可实现大于10的Q比。

欧洲：拥有世界上最大在运托卡马克装置

JET：于1978年开始建造，位于英国牛津郡库勒姆聚变能源中心的欧洲联合环面（JET）是现有的唯一可以使用氘-氚燃料混合物运行的托卡马克设施，该燃料混合物也将用于未来的聚变发电厂。

在JT-60SA开始运行之前，JET一直是世界上最大的在运托卡马克装置，并在1983年实现了第一个等离子体试验。JET数十年的实验优化了氘-氚的聚变反应，并帮助开发了管理燃料滞留、热排放和材料演变的技术。

JET的核心是一个真空容器，目前该容器容纳了90m3的聚变等离子体。多年来，该设施创下了多项纪录，包括1997年创纪录的0.64的Q-等离子体（产生的聚变功率与加热等离子体的外部功率之比），以及2021年12月创纪录的5秒脉冲内59MJ的聚变能量输出。

高性能氘-氚实验始于1997年，自2011年以来，真空容器的第一个壁由铍和钨制成，取自ITER的建设经验。JET目前正在完成其最后一系列实验，并将于2023年年底停止运营，先于计划的2024年开始退役。

W7-X：W7-X于2014年4月建成，位于德国格赖夫斯瓦尔德的马克斯·普朗克研究所，是世界上最大的仿星器设备。

W7-X的水冷系统可支持该装置在10MW的加热下放电长达30分钟。2023年，W7-X实现了等离子体放电长达8分钟，产生1.3GJ的能量周转，表明它能够连续耦合等离子体中的大量能量。

MAST-U：MAST-U装置是在兆安培球形托卡马克装置（MAST装置）基础上升级而来，于2020年在英国建成。

MAST-U是一种低深弦比托卡马克，能够与各种不同的偏滤器一起使用，并且是第一个使用Super-X偏滤器工作的系统。

该系统目的是在足够低的温度下将等离子体从设施中导出，降低热功率负载以达到材料可承受的温度，进而延长组件的使用时间。

利用该系统可使到达聚变堆设施内表面的热量降至原来的1/10，有效改变未来核聚变发电站的长期运行能力。

日本：已实现将等离子体加热至2亿度

JT-60SA：JT-60SA是一个由日本和欧盟共同合作建造运行的超导托卡马克装置，位于茨城县日本原子能研究开发机构（JAEA）内，目前是世界上最大的热核聚变实验装置。

JT-60SA于2023年11月2日成功点火，达到满功率后可将等离子体加热到2亿摄氏度并维持约100秒。JT-60SA的工作为ITER的建造以及日本示范发电厂—DEMO的实现奠定了基础。

俄罗斯：已实现首次稳定的等离子体操作

T-15MD：T-15MD托卡马克位于俄罗斯联邦库尔恰托夫研究所，于2021年完成机器升级。2023年4月，实现了首次稳定的等离子体操作。

T-15MD托卡马克使用水冷系统，能够在2T的等离子体轴上产生环形磁场;它还具有强大的准固定式附加加热系统，等离子体的总功率输入高达20MW，等离子体中的电流可达到2.0MA，持续时间为10秒。

中国：已实现等离子体电流首次突破100万安培

近年来，中国核聚变技术取得了一系列重要进展。2021年5月28日，EAST装置实现了可重复的1.2亿度101s等离子体运行和1.6亿度20s等离子体运行。

2021年6月8日，EAST装置总放电实验次数突破10万次。2021年12月30日晚，实现1056s的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。

2023年4月12日，EAST成功实现了403s可重复的稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，创造了托卡马克装置高约束模式运行新的世界纪录。

EAST装置创造的多项托卡马克运行的世界纪录，标志着中国在磁约束聚变研究领域引领国际前沿，也为中国自主建造聚变工程实验堆提供了坚实的科学技术基础。

2023年12月29日，以“核力启航聚变未来”为主题的可控核聚变未来产业推进会在蓉召开。由25家央企、科研院所、高校等组成的可控核聚变创新联合体正式宣布成立。

国务院国资委启动实施未来产业启航行动，明确可控核聚变领域为未来能源的唯一方向。

HL-2M：环流三号（HL-2M）托卡马克装置是HL-2A的改造升级装置。2022年11月，等离子体电流首次突破100万安培。2023年8月25日，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。

EAST：EAST是我国自行设计研制的世界上第一个“全超导非圆截面托卡马克”核聚变实验装置。

2021年12月，EAST实现了最长的稳态高温等离子体运行（1056秒），即具有类似ITER的配置和加热方案的长脉冲高性能运行。

中国环流三号（HL-2M）是由中核集团西南物理研究院自主设计建造的托卡马克装置，于2020年12月建成，也是我国设计参数最高、规模最大的核聚变大科学装置，被称为中国的新一代“人造太阳”。

在高约束运行模式下，HL-2M等离子体电流强度可达250万安培以上，等离子体温度可达1.5亿度。

2023年8月，中国环流三号首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录，突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等关键技术难题。

是我国核聚变能开发进程中的重要里程碑，标志着我国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步。

2023年12月14日，核工业西南物理研究院与国际热核聚变实验堆ITER总部签署协议，宣布新一代人造太阳“中国环流三号”面向全球开放。

全球主要核聚变项目梳理

ITER项目核电站

1985年，在美、苏首脑的倡仪和国际原子能机构（IAEA）的赞同下，一项重大国际科技合作计划--“国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）”得以确立，其目标是要建造一个可持续燃烧的托卡马克聚变实验堆以验证聚变反应堆的工程可行性。

ITER计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划，场址位于法国的卡达拉舍。1998年，美国退出ITER后，欧、日、俄三方重新对原设计进行改进和优化，并于2002年完成。

目前合作承担ITER计划的七个成员是欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国，这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家，覆盖的人口接近全球一半。

ITER项目的核电站将产生大约500MW热能，如果持续运行并接入电网，将转化为约200MW的电能，够20万户家庭使用。

2020年7月，ITER托卡马克装置安装工程启动，预计2025年完成建设并进行第一次等离子放电试验。装置重达23000吨，高近30米，项目占地约180公顷，托卡马克装置的等离子体体积为830m3。

磁体系统由18个环形磁场磁铁、6个极化磁场线圈、1个13米高的中央螺线管、18个超导校正线圈、31个超导磁体馈线和29个非超导容器内线圈组成。

其中部分超导线材由西部超导完成供应。偏滤器将由54个不锈钢部件组成，每个部件重10吨，由国光电气参与供应。

ITER项目预估成本为220亿美元，其中磁体系统、容器内部件、建筑占比最高，分别达到28%、17%、14%。

在实际建造中，工厂总体成本（包括建筑成本和主机装置外的支持部件和附属系统）被大大低估，ITER的预算也在逐年上升。

根据核聚变发电厂DEMO的成本估算，工厂总体成本将上升至40%，制冷系统、容器内部件、磁体系统将分别占比16%、15%、12%。

中国承担了18个采购包的制造任务，涉及磁体支撑系统、气体注入系统、可耐受极高温的反应堆堆芯“第一壁”等核心关键部件。

我国依靠自主创新，为ITER计划的顺利推进做出了重要贡献，例如：研制出世界最大电流的高温超导电流引线，创下了高温超导电流引线载流能力的世界最高记录。实现了我国在高温超导大电流引线领域应用零的突破。

研制的大电流超导铠装导体一次性通过严格苛刻的国际验证，性能居ITER各方之首，并率先交付ITER采购包首件产品，促使我国大型超导导体研制和工业化生产能力跨入国际领先水平。

我国交付的PF6线圈是ITER装置主机的最重要部分之一，位于ITER装置超导磁体的底部，是目前国际上研制成功的重量最大、难度最高的超导磁体。

PF6线圈所有关键制造工艺及部件全部一次性通过ITER国际组认证，双饼制造合格率达到100%，超导接头性能显著优于ITER技术要求。

PF6线圈的成功制造不仅打破了发达国家在这一领域的技术壁垒，生产设备实现了全国产化，同时还发展和完善了超导磁体制造的标准和相关规范。

EAST

EAST（即“东方超环”）是我国自行设计研制的世界上第一个“全超导非圆截面托卡马克”核聚变实验装置。

它同时具有上亿温度的“超高温”、零下269度的“超低温”、“超大电流”、“超强磁场”、“超高真空”等极限条件，项目难度非常大，它的成功建设和运行是中国可控核聚变研究的里程碑式突破。

EAST的大小半径虽然只有国际热核聚变试验堆（即ITER）的1/3和1/4，但位形与ITER相似且更加灵活，而且将比ITER早10-15年投入运行。

EAST是一个近堆芯高参数和稳态先进等离子体运行科学问题的重要实验平台，它将是在ITER之前国际上最重要的稳态偏滤器托卡马克物理实验基地。

2023年4月12日21时，一项新的世界纪录诞生——正在运行的世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）成功实现了403秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，刷新了2017年托卡马克装置高约束模式运行101秒的纪录。

CFETR

中国聚变工程试验堆（CFETR）是中国自主开发和设计的下一代聚变装置，旨在弥补ITER和未来聚变堆之间的差距，已进行了数轮总体工程设计。

CFETR将分2个阶段运行：第一阶段的目标是实现50~200MW的聚变功率，聚变增益Q=1~5，氚增值率TBR>1.0，中子辐照效应~10dpa；

第二阶段的目标是聚变功率>1GW，聚变增益Q>10，在中子辐照效应~50dpa的条件下进行托卡马克DEMO验证。CFETR装置大半径R=7.2m，小半径a=2.2m，可以兼容第一阶段和第二阶段的目标。