北京研精毕智信息咨询有限公司

根据市场调研发现，在全球及中国的发展态势方面，国际上多个国家和地区积极参与可控核聚变研究，通过国际合作与自主研发不断推进技术进步，中国在科研机构与项目上成果丰硕，EAST 和中国环流三号等装置取得重要突破，政策支持与资金投入力度不断加大，商业应用探索也初见成效，众多企业积极投身于核聚变商业化应用的探索。

一、可控核聚变行业概述​

1、定义与原理​

可控核聚变的英文名称为 Controlled nuclear fusion，是指在一定条件下，通过精确控制核聚变的速度和规模，从而实现将核聚变产生的能量有效应用于社会生产和人类生活的目的。核聚变作为一种能释放出巨大能量的原子核反应形式，其过程是轻原子核，例如氘和氚，结合成较重原子核，例如氦时，会放出巨大能量。在这一过程中，物质并不守恒，因为有一部分正在聚变的原子核的物质会转化为光子，也就是能量，这一现象遵循爱因斯坦质能方程 E=mc²。​

根据北京研精毕智信息咨询发布的调研报告指出，实现可控核聚变主要有惯性约束和磁约束两种方式，而当前主流的托卡马克装置便属于磁约束方式。核聚变与核裂变存在显著区别，核裂变是重原子核，如铀 - 235、钚 - 239 等，分裂成两个或多个较轻原子核的过程，其反应原理是通过中子轰击重原子核，使其分裂并释放能量，同时产生更多中子，引发链式反应。核电站和原子弹便是基于核裂变原理运行。与之相比，核聚变的能量释放更为巨大，因为聚变过程中，新形成的原子核比原始原子核的比结合能更高，意味着有更多结合能释放。在反应条件上，核聚变需要在极高的温度和压力下才能进行，目前主要通过磁约束和惯性约束两种方式实现，而核裂变在较低的温度和压力下就可以发生，相对更容易控制。在原料方面，核聚变的原料，如氘可从海水中大量提取，几乎取之不尽，而核裂变的原料，如铀、钍等在地球上的蕴藏量则较为有限 。并且核聚变产生的辐射少，生成物基本没有放射性，相比核裂变更加清洁环保。​

2、发展历程​

全球可控核聚变技术的发展源远流长，1919 年，英国物理学家卢瑟福从实验证实轻原子核能在人工控制下相互碰撞发生核反应，物理学家阿斯顿发现 He (4) 原子的质量比组成氦的四个氢原子质量的总和小约 1%，为核聚变的研究提供了重要依据。1920 年，英国物理学家爱丁顿提出太阳的能量来自氢原子核到氦原子核的聚变过程，为核聚变研究指明方向。1928 年，美国核物理学家伽莫夫揭示了聚变反应中的库仑势垒隧穿效应，1929 年，阿特金森和奥特麦斯从理论上计算了氢原子聚变成氦原子的反应条件，进一步推动理论发展。​

20 世纪 50 年代，欧美各主要国家开始着手进行磁约束核聚变的相关研究，一些可控聚变的概念及相应的实验装置如仿星器、箍缩装置和磁镜装置等相继被提出。与此同时，苏联也在进行受控磁约束的探索，1951 年，阿根廷的罗纳德・里希特（Ronald Richter）认真提出了用核聚变方法来得到能量。1954 年，第一个托卡马克装置在苏联库尔恰托夫原子能研究所建成，并在这个装置上实现了聚变反应，尽管产生的能量极微，放电时间仅维持了 300μs ，但为后续研究奠定基础。1957 年，在日内瓦召开原子能国际大会，决定展开国际合作与交流，英国科学家劳森提出维持核聚变反应堆中能量平衡的劳森判据。1958 年的第二次和平利用原子能国际会议，各国将研究成果解密，公布了一批理论和实验结果，开始更密切的国际合作。​

20 世纪 60 年代后期，俄国科学家在 T - 3 Tokamak 上克服等离子体的宏观稳定性上取得显著进展，磁约束聚变包括托卡马克、磁镜、仿星器、箍缩等多种研究途径，其中托卡马克途径在技术上最成熟，进展也最快，逐渐显示出其独特优势，成为磁约束核聚变研究的主流。1963 年，苏联科学家巴索夫和中国科学家王淦昌独立提出用激光实现受控热核聚变反应的构想。1976 年，美国、苏联倡议在 IAEA 的框架下由美国、欧洲、日本及俄罗斯共同建造 ITER（International Tokamak Experimental Reactor，国际托卡马克实验反应堆），目标是验证工程可行性。​

此后，核聚变研究不断取得进展。1991 - 1997 年，欧洲联合环 (JET) 和美国 TFTR 氘氚放电实验，展现了核聚变存在工业利用的前景。2005 年，中国 EAST 实验装置建成，标志着我国在国际核聚变研究中占据重要地位。2015 年，中国工程物理研究院建成亚洲最大的高功率激光装置神光 - Ⅲ 激光装置主机。2018 年，中国可控核聚变首次实现 1 亿度运行，标志着聚变反应堆运行迈出关键一步。2020 年，ITER 开始安装，计划在 2025 年底首次等离子体放电。2021 年，中国核聚变稳定运行时间破 1,000 秒，中国 EAST 实验装置实现了 1056 秒的长脉冲高参数等离子体运行。2023 年，欧洲 JET 创造 69 兆焦耳能量纪录，欧洲联合核聚变实验装置 (JET) 在约 5 秒内持续产生 69 兆焦耳的能量，打破世界纪录。2024 年，MIT 技术突破使核聚变装置成本降低 40 倍，MIT 利用稀土氧化铜钡超导体大幅缩减核聚变装置体积与成本，推动能源商业化；第一光聚变公司突破压力极限至 1.85TPa，打破了美国桑迪亚国家实验室的压力世界纪录，是地核压力的五倍。​

中国可控核聚变技术发展也经历了多个重要阶段。1956 年《十二年科技规划》，核聚变研究被列入国家科技发展计划，标志中国正式启动探索。1958 年，受苏联技术启发，苏联公开磁镜装置研究成果，中国科研团队吸收相关知识，启动可控核聚变研究。同年 5 月，中科院物理研究所留美归来的孙湘牵头组建了第一室 103 组，使用小型脉冲放电装置，成功制造出了高温等离子体，该成果被《人民日报》誉为 “人造小太阳”。但在 1959 年，因三年困难时期，核聚变研究经费被大幅削减，科研骨干被调往两弹研制任务，研究陷入停顿，1963 年，中科院物理所的核聚变研究组正式撤销。​

1965 年，西南物理研究院成立，在四川乐山建立首个核聚变研究基地（代号 “585 所”），形成 “国家队” 研究力量。1968 年，苏联公开托卡马克装置实验数据，引发全球托卡马克研究热潮。1984 年，中国环流器一号（HL - 1）建成，这是我国首座中型托卡马克装置，填补国内空白，初步验证等离子体约束能力。1994 年，中俄合作改造 T - 7 装置，建成中国首个超导托卡马克 HT - 7，使我国跻身国际前沿。2002 年，建成了具有偏滤器位形的中国环流器二号Ａ装置（HL - 2A）。2003 年，中国加入 ITER 计划，以 “平等伙伴” 身份参与国际热核聚变实验堆项目，开启全球技术协作。​

2006 年，全超导托卡马克装置（东方超环）EAST 首次成功放电，这是全球首个非圆截面全超导装置，推动长脉冲等离子体研究。此后 EAST 不断取得突破，2012 年实现 411 秒长脉冲放电，突破百秒级稳态运行，验证超导磁体稳定性；2017 年创高约束模式纪录，实现 101.2 秒 H - mode 等离子体运行，首次突破百秒级约束；2018 年达到 1 亿摄氏度，电子温度达太阳核心 6 倍以上，接近聚变点火条件；2021 年刷新高温纪录，实现 1.2 亿度 101 秒、1.6 亿度 20 秒运行，突破稳态高温极限；2023 年实现 403 秒高约束运行，进一步优化长脉冲控制技术；2025 年 1 月实现 1 亿摄氏度下 1066 秒的高约束模等离子体运行，创世界纪录；2025 年 4 月实现 300S，1.5 亿摄氏度下稳定运行。​

2020 年，我国最大托卡马克 HL - 2M 装置投运，等离子体电流能力提升至 2.5 兆安培，支撑 ITER 预研。2020 年 12 月 4 日，“中国环流三号”（China Circulation 3）建成并实现首次放电，2025 年 3 月首次实现原子核和电子温度均突破一亿度，中国可控核聚变技术取得重大进展，实验数据显示，中国核聚变装置首次实现原子核温度 1.17 亿度、电子温度 1.6 亿度的参数水平，标志着中国可控核聚变向工程化应用迈出重要一步。2022 年，中国完成 ITER 项目中磁体馈线系统等关键部件交付，技术贡献占比约 9% 。​

二、可控核聚变行业技术现状​

1、主要技术路径​

2.1.1 磁约束核聚变​

磁约束核聚变（Magnetic Confinement Fusion，MCF）是利用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出热量。其基本原理基于带电粒子在磁场中的运动特性，由于等离子体中的带电粒子（电子和离子）在磁场中会受到洛伦兹力的作用，从而被约束在磁力线附近运动，难以跨越磁力线向外扩散，使得高温等离子体能够被限制在一定空间内，避免与容器壁接触，实现核聚变反应的持续进行。​

托卡马克（Tokamak）是磁约束核聚变研究中最具代表性且发展最为成熟的装置。它的结构呈环形，主要由环形真空室、强磁场系统、等离子体加热系统、真空抽气系统、冷却系统以及诊断测量系统等部分组成。其中，强磁场系统由环向场线圈、极向场线圈和中心螺线管等构成，环向场线圈产生环绕环形真空室的环向磁场，使等离子体沿环形轨道运动；极向场线圈用于控制等离子体的形状和位置；中心螺线管则通过感应电流来加热等离子体并驱动等离子体电流，维持等离子体的稳定运行。等离子体加热系统采用多种加热方式，如欧姆加热、中性束注入加热、射频波加热等，将等离子体加热到核聚变所需的高温。在托卡马克装置中，等离子体在强磁场的约束下，被加热到极高温度，其中的氘、氚原子核获得足够高的速度，克服它们相互之间的静电排斥力而接近到有足够的几率穿透核势垒，发生聚变反应，释放出大量能量。​

经过多年的研究和发展，托卡马克装置取得了众多重要实验成果。国际热核聚变实验堆（ITER）计划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，其目标是建造一个能产生大规模核聚变反应的实验堆，验证核聚变能源的可行性。ITER 装置设计总聚变功率达到 5×10^5kW ，计划在 2025 年底实现首次等离子体放电。中国的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）也取得了一系列重大突破，2025 年 1 月，EAST 实现了 1 亿摄氏度下 1066 秒的高约束模等离子体运行，创造了新的世界纪录，标志着我国在磁约束核聚变领域的研究处于国际先进水平。​

仿星器（Stellarator）是另一种重要的磁约束核聚变装置，它通过特殊设计的三维螺旋磁场来约束等离子体。与托卡马克相比，仿星器的磁场结构更为复杂，但其具有无需外部电流驱动、稳态运行的优势，能够避免托卡马克中由于等离子体电流引起的磁流体不稳定性问题，如等离子体破裂等。仿星器的线圈系统设计独特，由多个形状不规则的线圈组成，这些线圈产生的磁场相互交织，形成一种复杂的三维磁场位形，将等离子体约束在其中。德国的 “螺旋石 7-X”（Wendelstein 7-X，W7-X）是目前国际上运行的具有代表性的仿星器，其磁场强度达到了 3 特斯拉，在等离子体约束和加热等方面取得了显著进展，2021 年 8 月，W7-X 的实验达到了和托卡马克相当的等离子体约束水平，相关成果发表在《Nature》期刊上，这意味着先进仿星器有潜力成为实现聚变能的一个重要途径。​

2.1.2 激光惯性约束核聚变​

激光惯性约束核聚变（Laser Inertial Confinement Fusion，ICF）的原理是利用高功率激光束从各个方向均匀照射聚变燃料靶丸，使靶丸表面的物质迅速蒸发和电离，形成等离子体。等离子体向外膨胀的同时产生反作用力，将靶丸向中心压缩，使靶丸内的氘、氚燃料在极短时间内被压缩到极高的密度和温度，引发核聚变反应。在这一过程中，主要依靠燃料自身的惯性，在燃料还来不及飞散之前就完成核聚变反应，实现能量的释放。​

实现激光惯性约束核聚变主要有直接驱动法和间接驱动法两种方式。直接驱动法是将激光束直接照射在靶丸表面上，其优点是激光束的能量利用效率相对较高，运行相对可靠，且可进行时空控制；缺点是对激光束均匀照射靶丸表面的要求极高，否则会造成向心爆聚的不对称，还可能在烧蚀层等离子体中产生不稳定性，使靶壳破坏，降低压缩效果，此外，激光功率的耦合效率（5% - 10%）和重复发射脉冲的频率（每秒输出 1 - 10 个激光脉冲）都不够高。间接驱动法是将含有聚变燃料的靶丸悬在一个用高 Z 材料（如金）做成的小腔内，激光束通过腔壁上的小孔照射在腔的内壁上，腔壁表面物质吸收激光束的能量后温度升高，产生软 X 射线，软 X 射线均匀地照射在腔内靶丸上将其烧蚀，经过向心爆聚等过程产生热核聚变反应。间接法的优点是对激光束光斑的均匀性要求不高，且软 X 射线能均匀辐照在靶丸表面上，实现对称爆聚；缺点是激光通过时等离子体会驱动参量不稳定性，而且激光束能量的利用效率不及直接驱动法高。​

美国国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）是目前世界上最大的激光惯性约束核聚变装置，代表了激光惯性约束核聚变领域的最高技术水平。NIF 拥有 192 束高功率激光，总能量可达 1.8 兆焦耳，能够产生高达 500 万亿瓦的峰值功率。2022 年，NIF 取得了重大技术突破，首次实现了核聚变反应的 “点火”，即核聚变产生的能量超过了输入的激光能量，输出能量达到 3.15 兆焦耳，实现了 50% 的能量净增益 ，这是激光惯性约束核聚变领域的一个重要里程碑，证明了激光惯性约束核聚变在科学原理上的可行性。然而，NIF 仍面临诸多局限，目前其实现的 “点火” 是在极短时间内的单次脉冲反应，难以实现持续稳定的能量输出，距离实际的商业应用还面临着工程技术、成本效益等多方面的挑战，如激光系统的效率较低、运行成本高昂、靶丸的制备和填充技术复杂等问题，需要进一步的研究和技术创新来解决。​

2、关键技术难题与突破​

在可控核聚变研究中，等离子体控制是核心难题之一。高温等离子体处于高度电离状态，性质极为复杂且不稳定，容易受到各种扰动，导致等离子体破裂、逃逸等问题，严重影响核聚变反应的持续进行和能量输出。在托卡马克装置中，等离子体电流的不稳定性可能引发等离子体破裂，瞬间释放出巨大能量，对装置造成损坏。为解决这一问题，科研人员采用先进的反馈控制技术，通过实时监测等离子体的参数，如温度、密度、位置和形状等，利用强大的计算机控制系统快速调整磁场位形和加热功率，以维持等离子体的稳定。在 EAST 装置中，科研团队研发了先进的等离子体控制算法，实现了对等离子体的精确控制，使其能够在长时间内保持稳定运行。此外，对等离子体边界层的研究也取得了重要进展，通过优化边界条件，有效减少了等离子体与装置壁面的相互作用，降低了杂质的掺入，提高了等离子体的约束性能。​

材料科学是制约可控核聚变发展的另一关键因素。核聚变反应产生的高温、高压以及强烈的中子辐照，对装置内部材料的性能提出了极高要求。目前，核聚变装置面临的材料问题主要包括材料的抗辐照性能、耐高温性能和抗腐蚀性能等。在 ITER 装置中，第一壁材料需要承受高达 1 亿摄氏度的高温和强烈的中子辐照，传统材料难以满足要求。近年来，科研人员致力于研发新型材料，如低活化钢、碳化硅复合材料等。低活化钢具有较低的放射性活化特性，在受到中子辐照后，其放射性衰变较快，降低了对环境和人员的危害；碳化硅复合材料则具有优异的耐高温、高强度和低中子辐照损伤等性能，有望成为未来核聚变装置的关键结构材料。通过材料设计和制备工艺的创新，这些新型材料的性能不断提升，为核聚变装置的建造和运行提供了有力支持。​

能量转换是实现可控核聚变商业化应用的重要环节，如何高效地将核聚变产生的能量转换为电能，是当前研究的重点之一。核聚变反应产生的能量主要以高能中子和带电粒子的形式存在，目前主要采用的能量转换方式是通过包层中的中子增殖材料将中子能量转化为热能，再利用传统的热力循环系统将热能转换为电能。然而，这种能量转换方式效率较低，且存在能量损失大、系统复杂等问题。为提高能量转换效率，科研人员提出了多种创新方案，如直接能量转换技术，利用带电粒子在磁场中的运动特性，将其动能直接转换为电能，减少了中间能量转换环节，有望大幅提高能量转换效率。此外，对新型能量转换材料和系统的研究也在不断推进，通过优化材料性能和系统设计，提高能量转换效率和稳定性，为可控核聚变的商业化应用奠定基础。

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