研报学习：可控核聚变研究（中邮）

摘要：核能是一种高效且清洁的能源，源于物质元素的原子核发生变化时释放的能量，通常称为核能。与支持生命的化学能不同，核能来自原子的核内，而化学能则涉及核外能量，参与生命过程的化学反应不会导致原子核的变动。

1 可控核聚变：人类能源终极之路

1.1 核聚变能具有诸多突出优点，被视为人类理想的终极能源

核能是一种高效且清洁的能源，源于物质元素的原子核发生变化时释放的能量，通常称为核能。与支持生命的化学能不同，核能来自原子的核内，而化学能则涉及核外能量，参与生命过程的化学反应不会导致原子核的变动。

核能释放的能量主要分为两类：

（1）核裂变（nuclear fission），指重元素的原子核（通常采用铀、钚、钍等）分裂为较轻元素的原子核时释放的能量，称为核裂变能；

（2）核聚变（nuclear fusion），指小质量元素的原子核（通常采用氢的同位素氘和氚）聚合成重核时释放的能量，称为核聚变能。

核聚变能具有燃料丰富、清洁、安全性高、能量密度大等突出优点，被视为人类理想的终极能源。

目前核能发电利用的是裂变能。而对于核聚变的应用，目前全球仍在努力研究探索。核聚变具有几个突出的优势，使得其相比于其他能源被认为是人类未来最理想的能源：

首先它的原料储量极其丰富，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；

其次，燃烧”每单位质量的燃料释放出的能量非常大，理论上，只要有几克这些反应物，就可以产生一万亿焦耳的能量，这大约是一个发达国家里一个人 60 年所需的能量；此外，核聚变能源对环境的污染轻，聚变产物没有放射性。和风能太阳能相比，聚变能源可按需提供，不受天气影响，可靠性更强。

核聚变已有氢弹的应用，难的是可控，也就是可控核聚变，使得聚变能源可以在控制的情况下实现安全、持续、平稳的能量输出。

核聚变目前已经可以实现了，比如氢弹就是核聚变原理。难的是可控核聚变，也就是可控的、能够持续进行的核聚变反应，实现安全、持续、平稳的能量输出。目前可控核聚变还在突破的过程中，主要难点包括高温高密度和长约束时间。

1.2 核聚变的三种约束方式

核聚变反应对于温度的要求非常高，通常需要达到上亿摄氏度。

在如此高的温度下，气体分子将被完全电离，此时物质以高温等离子体形态存在。为了持续输出反应能量，对于聚变等离子体的有效约束是关键。

通常对于此类高温等离子体的约束方式有 3 种，即引力约束、惯性约束，以及磁约束： 1 引力约束最典型的引力约束核聚变是太阳的发光发热。

由于太阳的巨大质量，它能够利用自身的引力将核燃料紧密束缚在一起。在这种极端高温高压的环境中，核燃料发生核聚变反应，从而释放出大量能量。目前人类现有的技术尚无法在地面上构建可以实现引力约束的反应堆。

2 惯性约束

惯性约束是一种常用的核聚变约束方式，通常通过高能激光或粒子束将燃料加热并压缩成等离子体。在自身惯性作用下，等离子体在极短的时间内无法向外扩散，从而被压缩到高温和高密度的状态，进而发生核聚变反应。由于这种聚变方式是依靠等离子体自身的惯性来实现的，因此称为惯性约束核聚变。这种约束方式的时间尺度较短，形成的等离子体具有较高的温度和密度特征，且需要大量的能量输入和精确的控制技术。

3 磁约束

磁约束被认为是目前最有前景的实现大规模受控核聚变反应的方法，目前研究的装置包括托卡马克、仿星器、反向场箍缩及磁镜等。带电粒子在磁场中倾向于沿着磁力线运动，而横越磁力线的运动则会受到限制，因此磁场可以有效地约束带电粒子。磁约束核聚变通过外部加热手段提升燃料的温度，使其完全电离形成等离子体。采用特殊结构的磁场将包含燃料离子和大量自由电子的高温等离子体限制在一个有限的空间内，从而控制其进行核聚变反应并释放能量。增强的磁场可显著减小带电粒子横越磁力线的扩散和导热，使高温等离子体与反应容器的壁面隔离，从而保护容器壁免受高温的侵蚀。采用托卡马克装置的磁约束技术路线，通常被认为主流的核聚变技术路线，是最有可能率先成功的方式。全球最大 “人造太阳”国际热核聚变实验堆（ITER），即采用了托卡马克装置。

2 国内外可控核聚变进展如何？

2.1 全球维度来看，托卡马克是主流路线，中国近几年开始发力托卡马克约占目前全球聚变装置的50%，是最主流方案。从左下图可以看到，托卡马克一直是聚变装置的主流，截至 2024 年，托卡马克路线约占全球聚变装置的 50%。托卡马克、仿星器、激光惯性、其他路线分别有 79 台、23 台、12 台、 45 台。近年来，除托卡马克之外的技术路线增长比较快，目前还是多种技术路线并行探索开发阶段。

公共资金是聚变项目的主要资金来源，近年来民间资金增长较快。2024 年，聚变项目的资金来源主要还是公共资金，约占 70%；不过民间资金的增长较快，从 2021-2024 年增长超过一倍。截至 2024 年，全球聚变装置大部分还是实验设计阶段，合计有 139 台，约占 88%；聚变电站合计有 20 台，约占 12%；从地区分布情况来看，北美、欧洲、亚太区在电站建设进度上领先，亚太在实验堆方面数量最多。

美国对聚变项目的股权投资在历史上领先，近三年来中国投资发力明显。历史上，对聚变能源的投资约 70%发生在美国。从 2023 年开始除美国之外的更加多的国家对于聚变能源公司的股权投资力度加强，包括中国、加拿大、法国、德国、以色列、日本和瑞典。其中，中国的投资自 2022 年开始明显加大

2.2 ITER：全球最大的核聚变合作项目，但苦于投资超预算、进度滞后 ITER 是全球最大的国际热核聚变实验堆合作项目，技术路线采用托卡马克。

ITER 计划（国际热核聚变实验堆计划， International Thermonuclear Experimental Reactor）是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，始于 1985 年，实验堆位于法国南部，ITER 的目标是从等离子体物理实验研究实现到大规模电力生产的核聚变发电厂的转变，目前正在建设世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆。

全球七方合作参与，中国约承担其中 9%的任务。ITER 由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国 7 方共同参与建造，欧盟作为 ITER 设施的主办方，贡献的费用有 45％左右，其他六方各贡献约 9％。

我国于 2006 年正式签约加入 ITER 计划，在承担了其中约 9%的任务。自 2008 年以来，中国承担了 18 个采购包的制造任务，涉及磁体支撑系统、磁体馈线系统、电源系统、辉光放电清洗系统、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。

中核集团核工业西南物理研究院承接 ITER 增强热负荷第一壁全尺寸原型件研制，科研团队在成功批量制备增强热负荷手指部件后，与贵州航天新力科技有限公司通力合作，解决了一系列技术难题，成功完成部件的焊接装配。增强热负荷第一壁直接面对芯部 1 亿摄氏度高温等离子体，是 ITER 最关键的堆芯部件，涉及聚变堆建设的核心技术。此前，中国掌握的该项技术率先通过国际认证。

ITER 项目存在投资成本超预期、项目进度延后的问题。ITER 项目于 2006 年正式启动，国际合作伙伴计划在十年内为该项目注入 63 亿美元(当前约 449.19 亿元人民币)，而最新的成本预算飙升到 220 亿美元(当前约 1568.6 亿元人民币)。进度方面，ITER 原计划 2025 年正式开始等离子体实验，2035 年进一步开始进行全氘－氚聚变实验。但由于新冠疫情导致供应链延迟，外加部分关键机器部件需要维修，根据新路线图，氘-氚聚变实验阶段预计从 2039 年开始，较原计划推迟 4 年。

2.3 商业化核聚变公司加速兴起，目标 2035 年并网

影响可控核聚变输出功率的主要有三个变量因素，此前主要设计理念在于增大装置的尺寸 R，但是存在高投资和长建设周期的弊端，正如 ITER 项目。影响可控核聚变的输出功率的，主要有三个变量：β、B 和 R。

β 指的是选择的约束方案，如上文所提主要有托卡马、惯性约束等；

B 指的是磁场强度；

R 指的是装置的大小。此前由于受到一些因素限制，难以直接增强约束和磁场强度的能力，因此之前的研究主要依赖于增大装置的尺寸 R，比如 ITER 计划就是典型的巨型装置。这一路径相对稳妥但需要巨额投资及漫长建设周期，难以被商业化企业承担。

随着技术的演进，提高另两个参数 β（等离子体比压）与 B（磁场强度）的技术可行性大大增加，使得单个装置的制造成本与建设周期减小。近几年，随着高温超导材料的突破性应用与 AI 技术在等离子体控制领域的深度融合，为聚变的研究提供了一种全新的可能性——显著提升 β（等离子体比压）与 B（磁场强度）。这一进步促成了装置尺寸的显著缩小，进而大幅降低了单个装置的制造成本与建设周期。比如当前的托卡马克装置总投资额可以缩小到 1.5 亿人民币，相较于那些耗资百亿的项目；整个建设过程仅需两年左右即可完成。

根据 FIA 资料显示，过去五年中大量初创商业化公司成立，累计投资金额在65亿美元左右。从统计情况来看，大概70%的商业化聚变公司表示预计在2035 年之前做出第一台商业化的示范堆完成聚变发电并网。

中国对于可控核聚变的商业化投入从 2022 年开始加速，目前国内商业化可控核聚变公司主要有以下几家：

聚变能源

成立于 2023 年，是合肥等离子体所在磁约束核聚变领域的唯一成果转化平台。合肥等离子体，全称中国科学院合肥物质院等离子体物理研究所，和核工业西南物理研究院，基本代表着中国可控核聚变技术的最高水平。 l 新奥能源以燃气供应起家的新奥集团，旗下新奥科技发展有限公司于 2017 年开启可控核聚变研究。现在正在重点布局球环形氢硼聚变技术，并于 2022 年选择确定了商业化优势独特的球形环氢硼聚变技术路线，拟定于 2035 年进入聚变堆阶段。

能量奇点

成立于 2021 年，由多名理论物理、等离子体物理和高温超导领域的海外归国专家联合创办，其创始人杨钊 2009 年入读北京大学物理系，之后又在斯坦福大学物理系攻读了理论物理方向博士。2024 年 6 月，由能量奇点研发建造的托卡马克装置“洪荒 70”，实现等离子体放电，成为全球首台由商业公司建造的全超请务必阅读正文之后的免责条款部分 17 导托卡马克，以及全球 4 台在运行的全超导托卡马克导托卡马克，以及全球 4 台在运行的全超导托卡马克之一，同时也创造了全球超导托卡马克装置研发建造的最快纪录。

星环聚能

成立于 2021 年，核心成员全部毕业于清华大学工程物理系，拥有超过 20 年积累的可控聚变研究整体经验。目前，星环聚能正在设计新一代聚变验证装置 CTRFR-1，预计到 2027 年，公司将开始建设商业示范装置，并且有可能在 2030 年前后展示基于自身独特方案的商业化聚变电力输出

3 相关上市公司

可控核聚变产业链包括上游材料供应，中游超导磁体、第一壁相关结构、真空模块及下游的电站运营等。上游覆盖有色金属（钨、铜等）、特种钢材、特种气体（氘、氚）等原料供应。中游环节是产业链的核心，涉及到聚变技术的研发、装备制造以及相关软件的开发。下游是核电建设和运营，应用场景包括发电、医疗和科研等领域。

联创光电：

公司成立于 1999 年，重点突出激光和高温超导两大产业”的产业布局。超导材料是核聚变装置的重要材料。联创光电旗下的联创超导主要业务范围涵盖“高温超导感应加热”、“高温超导磁控单晶硅生长设备”及“可控核聚变”三大领域。已成功将高温超导集束缆线技术应用于可控核聚变领域的高场磁体研制，自主设计的 D 型超导磁体成功制备并通过低温测试。

永鼎股份：

子公司东部超导主营产品第二代高温超导带材及超导应用产品。二代高温超导带材可广泛应用于能源、电力、交通、医疗、军事、重大科学工程等领域。公司在第二代高温超导带材上采用了国内独有的 IBAD+MOCVD 的技术路线，研发出多种稀土替代和掺杂技术，所制备的超导材料磁通钉扎性能优异，在长度以及低温磁场下性能方面达到了国内外领先水平。目前产品主要应用在超导感应加热、超导磁拉单晶、可控核聚变磁体、超导电力装备等领域，保持与江西联创光电、能量奇点、核工业西南物理研究院、国家电网等客户的密切合作关系。请务必阅读正文之后的免责条款部分 19

安泰科技：

公司是国内领先、国际一流的难熔金属材料供应商，专注于钨、钼、钽、铌、铼等极端高温材料的研发及应用。公司是全球第三代核电主泵推力盘、核聚变钨铜复合偏滤器部件的核心供应商，助力我国人造太阳创亿度百秒世界纪录。公司在核电领域拥有领先的技术优势，开发的难熔钨钼、镍基高温合金带材、金属精密过滤装置等产品为“华龙一号”、AP1000、CAP1400 等多项核电技术提供配套产品；为核聚变装置提供包括钨铜偏滤器、包层第一壁、钨硼中子屏蔽材料等涉钨全系列专用钨铜部件。

海陆重工：

公司自 1998 年起涉足核电领域，而后取得民用核承压设备制造资格许可证。公司在民用核能领域累积了丰富的制造和管理经验，并完成多个项目的国际、国内首件（台）制造任务。服务堆型包括但不限于二代+堆型、三代堆型（华龙一号、国和一号、AP1000、VVER、EPR）、四代堆型（高温气冷堆、钠冷快堆、钍基熔盐堆）以及热核聚变堆（ITER）等，涵盖了国内外的各核电机组。

爱科赛博：

公司高能粒子加速器用特种电源有参与全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）；公司参与过中国环流器二号 M 装置（HL-2M）项目。

精达股份：

公司投资的上海超导的高温超导带材产品，在全球核聚变为代表的高场磁体的应用处于加速发展期，可控核聚变领域的下游客户群体包含全球范围内的多家核心的领先的核聚变研究群体及商业核聚变开发公司，超导电缆在实践应用中也获得了运行验证，长期运行情况良好。截至目前，上海超导的扩产、扩建计划已全部完成，新产线的产能快速爬坡，高温超导带材的性能参数也有巨大提升，在高温超导领域具备了明显的全球竞争力。同时公司在超导电磁线领域也达成了量产。