根據(jù)市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在全球及中國的發(fā)展態(tài)勢方面，國際上多個國家和地區(qū)積極參與可控核聚變研究，通過國際合作與自主研發(fā)不斷推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，中國在科研機構(gòu)與項目上成果豐碩，EAST 和中國環(huán)流三號等裝置取得重要突破，政策支持與資金投入力度不斷加大，商業(yè)應(yīng)用探索也初見成效，眾多企業(yè)積極投身于核聚變商業(yè)化應(yīng)用的探索。

一、可控核聚變行業(yè)概述?

1、定義與原理?

可控核聚變的英文名稱為 Controlled nuclear fusion，是指在一定條件下，通過精確控制核聚變的速度和規(guī)模，從而實現(xiàn)將核聚變產(chǎn)生的能量有效應(yīng)用于社會生產(chǎn)和人類生活的目的。核聚變作為一種能釋放出巨大能量的原子核反應(yīng)形式，其過程是輕原子核，例如氘和氚，結(jié)合成較重原子核，例如氦時，會放出巨大能量。在這一過程中，物質(zhì)并不守恒，因為有一部分正在聚變的原子核的物質(zhì)會轉(zhuǎn)化為光子，也就是能量，這一現(xiàn)象遵循愛因斯坦質(zhì)能方程 E=mc²。?

根據(jù)北京研精畢智信息咨詢發(fā)布的調(diào)研報告指出，實現(xiàn)可控核聚變主要有慣性約束和磁約束兩種方式，而當(dāng)前主流的托卡馬克裝置便屬于磁約束方式。核聚變與核裂變存在顯著區(qū)別，核裂變是重原子核，如鈾 - 235、钚 - 239 等，分裂成兩個或多個較輕原子核的過程，其反應(yīng)原理是通過中子轟擊重原子核，使其分裂并釋放能量，同時產(chǎn)生更多中子，引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。核電站和原子彈便是基于核裂變原理運行。與之相比，核聚變的能量釋放更為巨大，因為聚變過程中，新形成的原子核比原始原子核的比結(jié)合能更高，意味著有更多結(jié)合能釋放。在反應(yīng)條件上，核聚變需要在極高的溫度和壓力下才能進(jìn)行，目前主要通過磁約束和慣性約束兩種方式實現(xiàn)，而核裂變在較低的溫度和壓力下就可以發(fā)生，相對更容易控制。在原料方面，核聚變的原料，如氘可從海水中大量提取，幾乎取之不盡，而核裂變的原料，如鈾、釷等在地球上的蘊藏量則較為有限 。并且核聚變產(chǎn)生的輻射少，生成物基本沒有放射性，相比核裂變更加清潔環(huán)保。?

2、發(fā)展歷程?

全球可控核聚變技術(shù)的發(fā)展源遠(yuǎn)流長，1919 年，英國物理學(xué)家盧瑟福從實驗證實輕原子核能在人工控制下相互碰撞發(fā)生核反應(yīng)，物理學(xué)家阿斯頓發(fā)現(xiàn) He (4) 原子的質(zhì)量比組成氦的四個氫原子質(zhì)量的總和小約 1%，為核聚變的研究提供了重要依據(jù)。1920 年，英國物理學(xué)家愛丁頓提出太陽的能量來自氫原子核到氦原子核的聚變過程，為核聚變研究指明方向。1928 年，美國核物理學(xué)家伽莫夫揭示了聚變反應(yīng)中的庫侖勢壘隧穿效應(yīng)，1929 年，阿特金森和奧特麥斯從理論上計算了氫原子聚變成氦原子的反應(yīng)條件，進(jìn)一步推動理論發(fā)展。?

20 世紀(jì) 50 年代，歐美各主要國家開始著手進(jìn)行磁約束核聚變的相關(guān)研究，一些可控聚變的概念及相應(yīng)的實驗裝置如仿星器、箍縮裝置和磁鏡裝置等相繼被提出。與此同時，蘇聯(lián)也在進(jìn)行受控磁約束的探索，1951 年，阿根廷的羅納德?里希特（Ronald Richter）認(rèn)真提出了用核聚變方法來得到能量。1954 年，第一個托卡馬克裝置在蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所建成，并在這個裝置上實現(xiàn)了聚變反應(yīng)，盡管產(chǎn)生的能量極微，放電時間僅維持了 300μs ，但為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。1957 年，在日內(nèi)瓦召開原子能國際大會，決定展開國際合作與交流，英國科學(xué)家勞森提出維持核聚變反應(yīng)堆中能量平衡的勞森判據(jù)。1958 年的第二次和平利用原子能國際會議，各國將研究成果解密，公布了一批理論和實驗結(jié)果，開始更密切的國際合作。?

20 世紀(jì) 60 年代后期，俄國科學(xué)家在 T - 3 Tokamak 上克服等離子體的宏觀穩(wěn)定性上取得顯著進(jìn)展，磁約束聚變包括托卡馬克、磁鏡、仿星器、箍縮等多種研究途徑，其中托卡馬克途徑在技術(shù)上最成熟，進(jìn)展也最快，逐漸顯示出其獨特優(yōu)勢，成為磁約束核聚變研究的主流。1963 年，蘇聯(lián)科學(xué)家巴索夫和中國科學(xué)家王淦昌獨立提出用激光實現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)的構(gòu)想。1976 年，美國、蘇聯(lián)倡議在 IAEA 的框架下由美國、歐洲、日本及俄羅斯共同建造 ITER（International Tokamak Experimental Reactor，國際托卡馬克實驗反應(yīng)堆），目標(biāo)是驗證工程可行性。?

此后，核聚變研究不斷取得進(jìn)展。1991 - 1997 年，歐洲聯(lián)合環(huán) (JET) 和美國 TFTR 氘氚放電實驗，展現(xiàn)了核聚變存在工業(yè)利用的前景。2005 年，中國 EAST 實驗裝置建成，標(biāo)志著我國在國際核聚變研究中占據(jù)重要地位。2015 年，中國工程物理研究院建成亞洲最大的高功率激光裝置神光 - Ⅲ 激光裝置主機。2018 年，中國可控核聚變首次實現(xiàn) 1 億度運行，標(biāo)志著聚變反應(yīng)堆運行邁出關(guān)鍵一步。2020 年，ITER 開始安裝，計劃在 2025 年底首次等離子體放電。2021 年，中國核聚變穩(wěn)定運行時間破 1,000 秒，中國 EAST 實驗裝置實現(xiàn)了 1056 秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行。2023 年，歐洲 JET 創(chuàng)造 69 兆焦耳能量紀(jì)錄，歐洲聯(lián)合核聚變實驗裝置 (JET) 在約 5 秒內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生 69 兆焦耳的能量，打破世界紀(jì)錄。2024 年，MIT 技術(shù)突破使核聚變裝置成本降低 40 倍，MIT 利用稀土氧化銅鋇超導(dǎo)體大幅縮減核聚變裝置體積與成本，推動能源商業(yè)化；第一光聚變公司突破壓力極限至 1.85TPa，打破了美國桑迪亞國家實驗室的壓力世界紀(jì)錄，是地核壓力的五倍。?

中國可控核聚變技術(shù)發(fā)展也經(jīng)歷了多個重要階段。1956 年《十二年科技規(guī)劃》，核聚變研究被列入國家科技發(fā)展計劃，標(biāo)志中國正式啟動探索。1958 年，受蘇聯(lián)技術(shù)啟發(fā)，蘇聯(lián)公開磁鏡裝置研究成果，中國科研團隊吸收相關(guān)知識，啟動可控核聚變研究。同年 5 月，中科院物理研究所留美歸來的孫湘牽頭組建了第一室 103 組，使用小型脈沖放電裝置，成功制造出了高溫等離子體，該成果被《人民日報》譽為 “人造小太陽”。但在 1959 年，因三年困難時期，核聚變研究經(jīng)費被大幅削減，科研骨干被調(diào)往兩彈研制任務(wù)，研究陷入停頓，1963 年，中科院物理所的核聚變研究組正式撤銷。?

1965 年，西南物理研究院成立，在四川樂山建立首個核聚變研究基地（代號 “585 所”），形成 “國家隊” 研究力量。1968 年，蘇聯(lián)公開托卡馬克裝置實驗數(shù)據(jù)，引發(fā)全球托卡馬克研究熱潮。1984 年，中國環(huán)流器一號（HL - 1）建成，這是我國首座中型托卡馬克裝置，填補國內(nèi)空白，初步驗證等離子體約束能力。1994 年，中俄合作改造 T - 7 裝置，建成中國首個超導(dǎo)托卡馬克 HT - 7，使我國躋身國際前沿。2002 年，建成了具有偏濾器位形的中國環(huán)流器二號Ａ裝置（HL - 2A）。2003 年，中國加入 ITER 計劃，以 “平等伙伴” 身份參與國際熱核聚變實驗堆項目，開啟全球技術(shù)協(xié)作。?

2006 年，全超導(dǎo)托卡馬克裝置（東方超環(huán)）EAST 首次成功放電，這是全球首個非圓截面全超導(dǎo)裝置，推動長脈沖等離子體研究。此后 EAST 不斷取得突破，2012 年實現(xiàn) 411 秒長脈沖放電，突破百秒級穩(wěn)態(tài)運行，驗證超導(dǎo)磁體穩(wěn)定性；2017 年創(chuàng)高約束模式紀(jì)錄，實現(xiàn) 101.2 秒 H - mode 等離子體運行，首次突破百秒級約束；2018 年達(dá)到 1 億攝氏度，電子溫度達(dá)太陽核心 6 倍以上，接近聚變點火條件；2021 年刷新高溫紀(jì)錄，實現(xiàn) 1.2 億度 101 秒、1.6 億度 20 秒運行，突破穩(wěn)態(tài)高溫極限；2023 年實現(xiàn) 403 秒高約束運行，進(jìn)一步優(yōu)化長脈沖控制技術(shù)；2025 年 1 月實現(xiàn) 1 億攝氏度下 1066 秒的高約束模等離子體運行，創(chuàng)世界紀(jì)錄；2025 年 4 月實現(xiàn) 300S，1.5 億攝氏度下穩(wěn)定運行。?

2020 年，我國最大托卡馬克 HL - 2M 裝置投運，等離子體電流能力提升至 2.5 兆安培，支撐 ITER 預(yù)研。2020 年 12 月 4 日，“中國環(huán)流三號”（China Circulation 3）建成并實現(xiàn)首次放電，2025 年 3 月首次實現(xiàn)原子核和電子溫度均突破一億度，中國可控核聚變技術(shù)取得重大進(jìn)展，實驗數(shù)據(jù)顯示，中國核聚變裝置首次實現(xiàn)原子核溫度 1.17 億度、電子溫度 1.6 億度的參數(shù)水平，標(biāo)志著中國可控核聚變向工程化應(yīng)用邁出重要一步。2022 年，中國完成 ITER 項目中磁體饋線系統(tǒng)等關(guān)鍵部件交付，技術(shù)貢獻(xiàn)占比約 9% 。?

二、可控核聚變行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀?

1、主要技術(shù)路徑?

2.1.1 磁約束核聚變?

磁約束核聚變（Magnetic Confinement Fusion，MCF）是利用特殊形態(tài)的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的超高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使它受控制地發(fā)生大量的原子核聚變反應(yīng)，釋放出熱量。其基本原理基于帶電粒子在磁場中的運動特性，由于等離子體中的帶電粒子（電子和離子）在磁場中會受到洛倫茲力的作用，從而被約束在磁力線附近運動，難以跨越磁力線向外擴散，使得高溫等離子體能夠被限制在一定空間內(nèi)，避免與容器壁接觸，實現(xiàn)核聚變反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。?

托卡馬克（Tokamak）是磁約束核聚變研究中最具代表性且發(fā)展最為成熟的裝置。它的結(jié)構(gòu)呈環(huán)形，主要由環(huán)形真空室、強磁場系統(tǒng)、等離子體加熱系統(tǒng)、真空抽氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及診斷測量系統(tǒng)等部分組成。其中，強磁場系統(tǒng)由環(huán)向場線圈、極向場線圈和中心螺線管等構(gòu)成，環(huán)向場線圈產(chǎn)生環(huán)繞環(huán)形真空室的環(huán)向磁場，使等離子體沿環(huán)形軌道運動；極向場線圈用于控制等離子體的形狀和位置；中心螺線管則通過感應(yīng)電流來加熱等離子體并驅(qū)動等離子體電流，維持等離子體的穩(wěn)定運行。等離子體加熱系統(tǒng)采用多種加熱方式，如歐姆加熱、中性束注入加熱、射頻波加熱等，將等離子體加熱到核聚變所需的高溫。在托卡馬克裝置中，等離子體在強磁場的約束下，被加熱到極高溫度，其中的氘、氚原子核獲得足夠高的速度，克服它們相互之間的靜電排斥力而接近到有足夠的幾率穿透核勢壘，發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放出大量能量。?

經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，托卡馬克裝置取得了眾多重要實驗成果。國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項目之一，其目標(biāo)是建造一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的實驗堆，驗證核聚變能源的可行性。ITER 裝置設(shè)計總聚變功率達(dá)到 5×10^5kW ，計劃在 2025 年底實現(xiàn)首次等離子體放電。中國的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）也取得了一系列重大突破，2025 年 1 月，EAST 實現(xiàn)了 1 億攝氏度下 1066 秒的高約束模等離子體運行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，標(biāo)志著我國在磁約束核聚變領(lǐng)域的研究處于國際先進(jìn)水平。?

仿星器（Stellarator）是另一種重要的磁約束核聚變裝置，它通過特殊設(shè)計的三維螺旋磁場來約束等離子體。與托卡馬克相比，仿星器的磁場結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但其具有無需外部電流驅(qū)動、穩(wěn)態(tài)運行的優(yōu)勢，能夠避免托卡馬克中由于等離子體電流引起的磁流體不穩(wěn)定性問題，如等離子體破裂等。仿星器的線圈系統(tǒng)設(shè)計獨特，由多個形狀不規(guī)則的線圈組成，這些線圈產(chǎn)生的磁場相互交織，形成一種復(fù)雜的三維磁場位形，將等離子體約束在其中。德國的 “螺旋石 7-X”（Wendelstein 7-X，W7-X）是目前國際上運行的具有代表性的仿星器，其磁場強度達(dá)到了 3 特斯拉，在等離子體約束和加熱等方面取得了顯著進(jìn)展，2021 年 8 月，W7-X 的實驗達(dá)到了和托卡馬克相當(dāng)?shù)牡入x子體約束水平，相關(guān)成果發(fā)表在《Nature》期刊上，這意味著先進(jìn)仿星器有潛力成為實現(xiàn)聚變能的一個重要途徑。?

2.1.2 激光慣性約束核聚變?

激光慣性約束核聚變（Laser Inertial Confinement Fusion，ICF）的原理是利用高功率激光束從各個方向均勻照射聚變?nèi)剂习型?，使靶丸表面的物質(zhì)迅速蒸發(fā)和電離，形成等離子體。等離子體向外膨脹的同時產(chǎn)生反作用力，將靶丸向中心壓縮，使靶丸內(nèi)的氘、氚燃料在極短時間內(nèi)被壓縮到極高的密度和溫度，引發(fā)核聚變反應(yīng)。在這一過程中，主要依靠燃料自身的慣性，在燃料還來不及飛散之前就完成核聚變反應(yīng)，實現(xiàn)能量的釋放。?

實現(xiàn)激光慣性約束核聚變主要有直接驅(qū)動法和間接驅(qū)動法兩種方式。直接驅(qū)動法是將激光束直接照射在靶丸表面上，其優(yōu)點是激光束的能量利用效率相對較高，運行相對可靠，且可進(jìn)行時空控制；缺點是對激光束均勻照射靶丸表面的要求極高，否則會造成向心爆聚的不對稱，還可能在燒蝕層等離子體中產(chǎn)生不穩(wěn)定性，使靶殼破壞，降低壓縮效果，此外，激光功率的耦合效率（5% - 10%）和重復(fù)發(fā)射脈沖的頻率（每秒輸出 1 - 10 個激光脈沖）都不夠高。間接驅(qū)動法是將含有聚變?nèi)剂系陌型钁以谝粋€用高 Z 材料（如金）做成的小腔內(nèi)，激光束通過腔壁上的小孔照射在腔的內(nèi)壁上，腔壁表面物質(zhì)吸收激光束的能量后溫度升高，產(chǎn)生軟 X 射線，軟 X 射線均勻地照射在腔內(nèi)靶丸上將其燒蝕，經(jīng)過向心爆聚等過程產(chǎn)生熱核聚變反應(yīng)。間接法的優(yōu)點是對激光束光斑的均勻性要求不高，且軟 X 射線能均勻輻照在靶丸表面上，實現(xiàn)對稱爆聚；缺點是激光通過時等離子體會驅(qū)動參量不穩(wěn)定性，而且激光束能量的利用效率不及直接驅(qū)動法高。?

美國國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF）是目前世界上最大的激光慣性約束核聚變裝置，代表了激光慣性約束核聚變領(lǐng)域的最高技術(shù)水平。NIF 擁有 192 束高功率激光，總能量可達(dá) 1.8 兆焦耳，能夠產(chǎn)生高達(dá) 500 萬億瓦的峰值功率。2022 年，NIF 取得了重大技術(shù)突破，首次實現(xiàn)了核聚變反應(yīng)的 “點火”，即核聚變產(chǎn)生的能量超過了輸入的激光能量，輸出能量達(dá)到 3.15 兆焦耳，實現(xiàn)了 50% 的能量凈增益 ，這是激光慣性約束核聚變領(lǐng)域的一個重要里程碑，證明了激光慣性約束核聚變在科學(xué)原理上的可行性。然而，NIF 仍面臨諸多局限，目前其實現(xiàn)的 “點火” 是在極短時間內(nèi)的單次脈沖反應(yīng)，難以實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的能量輸出，距離實際的商業(yè)應(yīng)用還面臨著工程技術(shù)、成本效益等多方面的挑戰(zhàn)，如激光系統(tǒng)的效率較低、運行成本高昂、靶丸的制備和填充技術(shù)復(fù)雜等問題，需要進(jìn)一步的研究和技術(shù)創(chuàng)新來解決。?

2、關(guān)鍵技術(shù)難題與突破?

在可控核聚變研究中，等離子體控制是核心難題之一。高溫等離子體處于高度電離狀態(tài)，性質(zhì)極為復(fù)雜且不穩(wěn)定，容易受到各種擾動，導(dǎo)致等離子體破裂、逃逸等問題，嚴(yán)重影響核聚變反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行和能量輸出。在托卡馬克裝置中，等離子體電流的不穩(wěn)定性可能引發(fā)等離子體破裂，瞬間釋放出巨大能量，對裝置造成損壞。為解決這一問題，科研人員采用先進(jìn)的反饋控制技術(shù)，通過實時監(jiān)測等離子體的參數(shù)，如溫度、密度、位置和形狀等，利用強大的計算機控制系統(tǒng)快速調(diào)整磁場位形和加熱功率，以維持等離子體的穩(wěn)定。在 EAST 裝置中，科研團隊研發(fā)了先進(jìn)的等離子體控制算法，實現(xiàn)了對等離子體的精確控制，使其能夠在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定運行。此外，對等離子體邊界層的研究也取得了重要進(jìn)展，通過優(yōu)化邊界條件，有效減少了等離子體與裝置壁面的相互作用，降低了雜質(zhì)的摻入，提高了等離子體的約束性能。?

材料科學(xué)是制約可控核聚變發(fā)展的另一關(guān)鍵因素。核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高溫、高壓以及強烈的中子輻照，對裝置內(nèi)部材料的性能提出了極高要求。目前，核聚變裝置面臨的材料問題主要包括材料的抗輻照性能、耐高溫性能和抗腐蝕性能等。在 ITER 裝置中，第一壁材料需要承受高達(dá) 1 億攝氏度的高溫和強烈的中子輻照，傳統(tǒng)材料難以滿足要求。近年來，科研人員致力于研發(fā)新型材料，如低活化鋼、碳化硅復(fù)合材料等。低活化鋼具有較低的放射性活化特性，在受到中子輻照后，其放射性衰變較快，降低了對環(huán)境和人員的危害；碳化硅復(fù)合材料則具有優(yōu)異的耐高溫、高強度和低中子輻照損傷等性能，有望成為未來核聚變裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。通過材料設(shè)計和制備工藝的創(chuàng)新，這些新型材料的性能不斷提升，為核聚變裝置的建造和運行提供了有力支持。?

能量轉(zhuǎn)換是實現(xiàn)可控核聚變商業(yè)化應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，如何高效地將核聚變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能，是當(dāng)前研究的重點之一。核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量主要以高能中子和帶電粒子的形式存在，目前主要采用的能量轉(zhuǎn)換方式是通過包層中的中子增殖材料將中子能量轉(zhuǎn)化為熱能，再利用傳統(tǒng)的熱力循環(huán)系統(tǒng)將熱能轉(zhuǎn)換為電能。然而，這種能量轉(zhuǎn)換方式效率較低，且存在能量損失大、系統(tǒng)復(fù)雜等問題。為提高能量轉(zhuǎn)換效率，科研人員提出了多種創(chuàng)新方案，如直接能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，利用帶電粒子在磁場中的運動特性，將其動能直接轉(zhuǎn)換為電能，減少了中間能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，有望大幅提高能量轉(zhuǎn)換效率。此外，對新型能量轉(zhuǎn)換材料和系統(tǒng)的研究也在不斷推進(jìn)，通過優(yōu)化材料性能和系統(tǒng)設(shè)計，提高能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，為可控核聚變的商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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