可控核聚变核心赛道深度解析

B站影视 日本电影 2025-10-22 18:15 1

摘要:政策端,国内外重视核聚变领域,美国出台相关报告,国内将其定义为未来产业之一,国外以科技巨头为代表参与融资并提供订单支持。

可控核聚变是全球明确的产业趋势和核心战略赛道,在政策加码和AI赋能下,行业催化密集加速推进。

政策端,国内外重视核聚变领域,美国出台相关报告,国内将其定义为未来产业之一,国外以科技巨头为代表参与融资并提供订单支持。

资本端,国内聚变项目密集招标显著催化拉动。四川国际原子能大会上张国庆副总理明确战略定调,上海政策文件明确支持。

产业端,中科清能研发制造的3kW@4.5K氦制冷机于今年10月15日在合肥一次启机成功。该装备是目前我国核聚变领域已投产的最大制冷功率氦制冷机,将为国家重大科技基础设施CRAFT(聚变堆主机关键系统综合研究设施)稳定运行提供支撑。

美国能源部发布《聚变科学与技术路线图》,战略目标是在2030年代中期将商业化规模的聚变电力接入电网。

在政策、资本和AI多重加持下,作为全球能源格局军备竞赛主战场,战略地位和产业发展进程全面提速。

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核聚变产业发展情况

全球能源短缺与气候变化压力下,可控核聚变被视为解决能源问题的终极方案。

其原理模拟太阳内部的核聚变反应,将轻元素聚合为重元素并释放巨大能量,具有燃料丰富、无温室气体排放等优势。

核聚变已实现可行性验证,当前正朝着工程和商业可行性方向发展。

据2024年GlobalFusionIndustries报告,多数受访公司预计2031-35年实现商业化供电,超70%认为35年前有望实现。

美国NF在2025年4月实现激光惯性领域能量输出突破,日本JT60在1988年实现托卡马克子约束方面能量与EQ验证。

我国聚变工程发展路径为实验室到示范堆再到商业堆,预计2030年前后建成聚变实验堆和工程实验堆,2035年逐步实现发电,2040/50年实现商业化运行。

国内呈现合肥、江西、成都产业集群趋势,以国家队为主导,科研机构提供技术支撑,商业化公司补充细分技术领域。

合肥产业联盟中已经接近200-300家企业。

从国内项目进度来看:

1)实验堆:BEST推进最快。在25年上半年开工,预期27年建设完成;主机大部分招标已完成,先把主机搭起来,后面做辅助的东西。上海、江西项目推进中。

2)示范堆:两个项目(中科院CFEDR、中核集团先导堆)。节点是35年必须建成,启动建造可能是29年。CFEDR预期30年左右建成,资本开支有望超千亿元;星火一号、星爵智能、环球四号等在30-35年之前建成。

产业目前主要限制在能量平衡、材料性能等方面。以材料性能为例,反应部件面临严苛环境,产业端有对策和规划,但受限于实验堆和工程示范堆较少,未完全验证。未来随着实验堆、工程堆加速建设及AI赋能,材料端等问题有望加速缓解。

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紧凑型燃烧等离子体聚变能综合研究系统(BEST),中文名“夸父启明”。

该项目基于第一代“中国人造太阳”EAST装置升级建设。

EAST装置在2021年实现1.2亿摄氏度101秒等离子体运行,2025年更创下1亿摄氏度1000秒“高质量燃烧”的世界纪录,为BEST提供了关键技术验证。

建设目标:BEST计划2027年建成实验装置,验证未来聚变堆关键技术。2030年首次实现聚变能发电演示,点亮全球第一盏“核聚变灯”。长期目标为聚变示范电站和商业发电提供工程化基础。

项目发展历程:

2023年1月:项目正式启动建设,总用地面积约16万平方米,总建筑面积约15万平方米。

2025年3月:完成首块顶板浇筑,进入分区完工、分区交付阶段。

2025年5月1日:工程总装正式启动,较原计划提前两个月,需将超导磁体系统、磁体馈线系统、杜瓦等核心部件精确安装至主机基坑。

2025年10月1日:BEST装置主机首个关键部件杜瓦底座成功落位,该部件重400余吨、直径约18米、高约5米,安装水平高差≤15毫米,位置偏差≤±2毫米,属国内聚变领域最大真空部件。

核心技术路线:采用紧凑高场超导托卡马克技术,通过高性能超导磁体约束等离子体,模拟太阳内部的核聚变反应,实现氘氚燃料的持续稳定燃烧。

03托卡马克反应装置核心部件

托卡马克装置由环形真空室、磁场线圈(环向场线圈与极向场线圈)、冷屏、偏滤器、超导磁体等关键部件组成,各部件协同实现核聚变的核心条件。

技术演进趋势:早期托卡马克采用常规磁体,由于磁场强度低和能耗高,已逐步被超导磁体替代。目前托卡马克中磁体以低温超导为主,高温超导磁体渗透率呈上升趋势,其零电阻效应等特点可显著提升反应磁场强度,减小设备尺寸。

低温超导磁体

技术成熟,但需依赖液氦冷却,运行成本高;适用于当前示范堆(如BEST)。

以铌钛(NbTi)和铌三锡(Nb₃Sn)为代表,需在液氦温度4.2K下运行,磁场强度可达10-13特斯拉(T),是目前主流方案。

国内低温超导领域主要厂商西部超导批量供应BEST项目超导线材,完成CRAFT项目超导线材交付,是全球唯一具备铌钛锭棒、超导线材、超导磁体全流程生产能力的企业,也是ITER用低温超导线材在中国唯一供应商。

高温超导磁体

磁场强度更高、设备更紧凑,但材料成本和制备工艺复杂度更高;是未来聚变堆(如DEMO)的主流方向。

高温超导磁体采用钇钡铜氧(YBCO)或稀土钡铜氧(REBCO)等材料,可在液氮温度(77K)以上运行,零电阻效应显著提升磁场强度(可达20T以上),同时减小设备尺寸和冷却成本。

国内核心厂商中,联创光电与中科院等离子体所合作开发紧凑型托卡马克磁体系统,发出适用于聚变堆的强磁场磁体(>15T),技术指标对标国际领先水平。聚焦磁体系统集成,实现从带材到磁体的全链条覆盖。

永鼎股份作为全球唯二量产ITER级铌三锡超导带材企业,推出适配可控核聚变场景的千米级REBCO超导带材,适配高温超导磁体需求;广大特材研发的核聚变专用超导线圈铠甲材料已实现规模化交付。

真空室

真空室位于磁体内部,其核心作用包括构建高真空环境,防止等离子体与杂质气体碰撞导致能量损失。

此外,起到支撑内部结构(如偏滤器、第一壁、诊断系统等),承受电磁力、热负荷和机械振动。且需要满足耐高温、抗辐射、低氚滞留等极端工况。

合锻智能国作为内唯一具备托卡马克真空室全流程制造能力的企业,承接BEST装置真空室扇区核心部件、窗口延长段及重力支撑制造任务,产品精度达0.01mm,填补国内空白。

上海电气是全球首台全高温超导托卡马克装置核心供应商之一,承担主机系统三大核心部件制造。覆盖磁体、真空室、杜瓦容器全链条。为BEST制造TF线圈盒,同时参与新奥集团“玄龙50”项目。

旭光电子提供大功率电子管(如磁控管、速调管)及真空开关,用于聚变装置等离子体加热与控制。

偏滤器和包层

偏滤器通常位于真空室底部或侧壁,核心功能为减少杂质对核心等离子体的污染,占托马克装置总成本的10%-15%。

包层覆盖真空室内壁,直接接触等离子体边缘,在内壁实现能量转换等功能,占比约8%-12%。

二者直接接触等离子体,面临极端环境挑战。

偏滤器及包层领域核心参与厂商包括中核集团核动力院、国光电气、安泰科技、厦门物业、应流股份等。

国光电气是国内唯一具备包层系统全流程制造能力的企业,提供包层系统关键部件(如氚增殖模块、冷却板)及真空室配套设备(如低温泵),开发出极限真空度达10⁻⁹ Pa的核级真空设备,替代进口(原依赖美国Pfeiffer公司),中标BEST包层系统订单8.2亿元。

安泰科技子公司安泰中科是全球唯一量产全钨复合偏滤器企业,为EAST、ITER独家供应耐1亿℃部件,2025年新签聚变订单5.2亿元,主要产品为钨铜复合片(用于偏滤器靶板);厦门钨业参与钨材料供应;应流股份提供包层结构件(如RAFM钢冷却管),掌握中子辐照后性能评估技术;中核集团核动力院研发液态锂铅包层技术,实现氚自持与能量转换一体化。

电源系统

在托卡马克装置中,电源系统成本占比通常为15%(含电力供应8%与加热/电流驱动7%)。

电力供应部分主要负责为整个装置提供稳定的电能,加热与电流驱动部分则通过特定的电源系统为等离子体提供必要的能量,以维持其高温高密度状态。

旭光电子在2025年产业发展交流会上展示了自主研制的DB967兆瓦级四级管,被业内认为是可控核聚变领域的重大突破。此外,公司还积极参与ITER等国际核聚变项目。

保变电气通过参与ITER、“中国环流三号”等重大可控核聚变项目,推动固态变压器技术的工程化落地。2025年,公司成功交付国际热核聚变实验堆(ITER)法国电变压器项目,通过IEC认证,攻克核聚变装置电磁干扰技术难题。

此外,英杰电气、爱科赛博、新风光、四创电子等参与中国聚变工程实验堆关键电源系统在建装置的配套工作。

真空杜瓦

真空杜瓦是托卡马克装置外壳,承担保温安全保障等职能,技术相对成熟。

门槛集中于超低温密封、大型构件精密加工、电磁热耦合仿真三大领域。

密封性能升级:采用焊接与法兰密封双技术路线,焊接质量通过无损探伤保障,法兰连接精度达微米级。南京晨光研制全球首套热核聚变用杜瓦矩形膨胀节,建立机电耦合大口径膨胀节一体化成型与智能检测标准体系。

大型构件精密加工:上海电气承担全球首台全高温超导托卡马克装置“洪荒70”的外真空杜瓦、真空室及内外冷屏制造,掌握超大型真空容器高精度成型技术。航天晨光承担BEST装置磁体冷态测试杜瓦制造,为ITER、CRAFT等国际项目提供核心部件。

此外,在实验堆和示范堆各项目中,常辅股份为可控核聚变装置(如托卡马克、仿星器)提供高性能阀门和执行机构,涵盖真空隔离阀、波纹管密封阀等关键部件;哈焊华通承担TF磁体杜瓦焊接任务;东方精工通过参股航天新力,间接参与了ITER项目磁体支撑、屏蔽包层等核心部件的制造;兰石重装通过子公司兰石换热研制的PCHE设备,已成为中国聚变工程试验堆(CFETR)氦冷固态包层热工测试平台的关键设备;早在2016年,天沃科技与中广核工程有限公司组成联合体,参与国际热核聚变实验堆(ITER)项目的蒸汽冷凝罐设计供货项目全球招标并成功中标。

2025年国务院国资委明确将核聚变列为重点未来产业,提出“超前布局、梯次培育”。中国聚变能源有限公司于2025年7月成立,注册资本达150亿元,由七家央企及地方国企联合注资,标志着商业化进程进入战略窗口期。

今年上半年全球聚变公司权益融资超10亿美元,国内多台实验堆总投资或超600亿元,全球托卡马克实验堆总投资超2000亿元。整体来看,核聚变产业端和政策端全面提速,产业链各环节有望迎来高速发展机遇。

来源:火流星上的小金牛

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