聚变能源研究态势及展望丨中国工程科学

核能具有安全、清洁、低碳、稳定、高能量密度等优点，是人类未来理想的基荷能源。近年来，国际社会对待核能的态度正在发生积极的转变，22个国家在第二十八届联合国气候变化大会上共同发表《三倍核能宣言》，力争在2050年全球核电装机容量突破1.1×10⁹ kW、全球温升控制在1.5 ℃度以内。2023年，世界查明可开采铀资源为7.92×10⁶ t，按照1.1×10⁹ kW核电装机容量估算，铀资源仅够维持40余年使用。未来国际铀资源的竞争将更为激烈。

在我国，2023年的核电装机容量为5.7×10⁷ kW，占总发电量的4.86%；预计2035年的核电装机容量将为1.5×10⁸ kW，相应占比接近世界平均水平（10%）；2050年的核电装机容量将为3×10⁸~4×10⁸ kW，相应占比接近世界发达国家水平（18%）。要实现上述核能发展目标，我国铀资源保障压力将逐步增大。此外，我国核能面临查明沿海厂址资源短缺、乏燃料处置困难等问题，制约着未来的发展规模。综合解决我国核能发展面临的问题，主要途径包括发展第四代先进快中子堆、开发聚变能源；如此，核能发展规模可以大幅增加，有望逐步成为未来的基荷能源，为保障能源安全、实现“双碳”目标筑牢基础。其中，开发聚变能源更为前沿，近年来受到核能大国普遍重视，存在着激烈的国际竞争。

1952年首次氢弹原理试验成功，标志着地球上首次实现规模化的聚变放能。此后，各国积极探索在实验室条件下实现可控热核聚变。我国在此方面的研究基本与国际同步，《1956—1967年科学技术发展远景规划纲要（修正草案）》（1956年）中的“和平利用原子能”部分即提到进行有关热核反应控制的研究；之后主要围绕磁约束聚变、热核武器进行科研部署，后者又催生了激光惯性约束聚变、Z箍缩惯性约束聚变等研究。当前，聚变研究正处于从科学研究到工程实践、再到商业应用的发展转折点，预计2030年前后可以突破工程能量“得失相当”，随后进入聚变能源商业开发阶段。聚变能源开发有望重塑未来能源发展格局，得到了世界性关注。

本文主要阐述三方面内容：聚变能源研究进展及挑战、磁约束聚变研究进展、Z箍缩聚变裂变混合堆研究进展及规划。以此梳理国际聚变能源研究态势，阐明我国本领域的自主研究进展与与未来发展规划，进而形成我国聚变能源领域发展建议。

（一）聚变能源主要研究进展

1. 磁约束聚变方向稳步推进

20世纪末，在JT60等大型装置上相继实现或接近实现能量“得失相当”条件。进入21世纪后，各国围绕国际热核聚变实验堆（ITER）计划开展聚变研究攻关，增强了实现ITER科学目标和工程目标的信心。随着高温超导材料、人工智能技术的进步，开发紧凑型聚变装置成为新的热点，以美国的“紧凑经济耐用型”托卡马克装置（SPARC）、英国的球形托卡马克能源生产装置（STEP）为代表。

2. 惯性约束聚变方向取得重要突破

聚变靶物理原理和设计技术已经成熟。2022年，美国国家点火装置（NIF）实现具有能量增益的聚变点火并随后多次复现，以实验室手段验证了惯性约束聚变技术路线的可行性。Z箍缩聚变能量转换效率高、建造成本相对低，更适合发展为聚变裂变混合能源，具有更好的能源应用前景。我国“电磁驱动大科学装置”正式立项，建成后有望率先实现单发聚变数百兆焦、工程聚变增益>1的突破。

3. 聚变能源开发受到高度关注

近年来，全球资本市场开始高度关注聚变能源领域，已有超过40家商业公司介入相关业务，总投资额超过60亿美元。2022年，聚变产业联盟、可控核聚变创新联合体分别在合肥市、成都市成立，均致力于推进我国聚变能源产业发展。2030年前后进入聚变能源商业开发初级阶段成为当前的基本判断。也要清醒地认识到，聚变技术研究与聚变能源开发之间依然存在“鸿沟”，需要科学规划、协同攻关，才能早日实现聚变能源应用目标。

（二）聚变能源发展面临的挑战

能量平衡、氚自持、可利用率、耐辐照能力4个指标最为关键，可用于各种聚变堆的技术性能差异比较。聚变能源发展需要跨越4个里程碑节点（见表1）：节点1为当前的领域最优水平；节点2为ITER水平；节点3为聚变商业示范堆（DEMO）水平；节点4为第一代商业堆水平。近年来，各种聚变技术路线均取得显著进步，但面向能源应用的聚变技术路径尚未获得闭环验证，相应开发工作面临着多重挑战。跨越这4个节点后，聚变能源还面临经济竞争力差的困境。

表1　聚变能源开发的重要里程碑节点

1. 能量平衡尚未实现

磁约束（单次长脉冲放电）、惯性约束（脉冲爆炸）条件下分别实现Q_Eng=1所需的Q_Sci值存在一定区别。对于磁约束聚变，实现Q_Eng=1的目标需要Q_Sci=7，有望在ITER上实现。对于激光惯性约束聚变，由于电能转换为激光的效率不足1%，实现Q_Eng=1的目标需要Q_Sci=300，因而发展为能源的可能性很低。对于Z箍缩聚变，由于输入的是电能，实现Q_Eng=1的目标需要Q_Sci=3。

如果进一步考虑发电演示，磁约束聚变要达到稳态运行且至少Q_Eng=5，这是具备商业开发可行性的门槛。对于Z-FFR，要求M · f · Q_Eng=5（f、M分别为重复运行频率、包层能量放大倍数）。目前，聚变能源开发正在从Q_Sci=1向Q_Eng=1迈进，相较商业应用（Q_Eng=5）还有不小的距离。

2. 氚自持尚未得到验证

在聚变功率为1×10⁶ kW的反应堆中，氚的消耗量约为152 g/d、55.5 kg/a，而世界上现存的氚总量不足30 kg。显然，聚变堆要实现商业应用，必须实现氚自持，即自身生产的氚能够补充消耗的氚，最好还能在5 a后增殖出启动下一个聚变堆所需的氚。受氘／氚等离子体燃耗、氚循环处理能力等方面的限制，实现氚自持面临着一系列的技术挑战，目前尚不具备验证条件。

3. 实现高可利用率难度极高

可利用率相当于占空比或者负荷因子，反映按名义功率运行的放能时间占比，直接影响未来聚变能源的经济性。聚变堆包含多个物理特性差异显著的子系统，复杂度远超裂变堆，因而简化系统设计是提高聚变堆可利用率的有效手段。Z箍缩聚变堆的驱动器和包层在空间上是分离的，有利于模块的更换和维护并提高系统可靠性。可利用率取决于各子系统的平均无故障工作时间、平均维护时间，而相关数据需要通过大量的实验验证才能得到，此点还没有引起研究者的普遍重视，这对开发聚变能源是非常不利的。聚变堆可利用率达到50%仅相当于第一代裂变堆的水平，而当前的裂变堆可用率高达90%。

4. 耐辐照材料开发进展缓慢

聚变产生的是高能中子（14.1 MeV），其能量远高于裂变堆中子。由于缺少合适的聚变中子源，材料在高温下的耐辐照能力无法通过实验来直接考核。ITER装置的氘 / 氚运行总时间有限，全寿命周期内材料辐照损伤只有3~5 dpa，而不锈钢材料的中子辐照理论极限为50 dpa。然而，聚变能源应用需要开发至少能耐200 dpa辐照的材料，相关工作极具挑战性。

5. 第一代聚变堆经济性普遍较差

与节点4对应的第一代聚变堆，其经济性依然远低于裂变堆。按照ITER计划的初期测算，电功率为1×10⁶ kW的聚变堆，建造成本至少为150亿美元。作为中子倍增剂的铍，资源比较稀缺，加工成小球后价格进一步提高（约10万元/kg）；中国聚变工程实验堆（CFETR）设计方案中的铍球用量>300 t，未来如果采用铍来增殖中子，将面临铍资源短缺的问题。采用高温超导材料的紧凑型聚变装置可以降低建造成本，但是第一壁中子辐照损伤会显著增加，更换周期也会相应缩短。

磁约束聚变装置包括托卡马克、仿星器、反场箍缩等类型，其中托卡马克是投入最大、发展最成熟的类型。在托卡马克中，中心螺管线圈产生的欧姆场可以电离氘、氚等燃料形成等离子体；等离子体电流自身会产生极向磁场，该极向磁场与环向场线圈产生的纵场耦合后形成螺旋形磁场，等离子体在耦合磁场中做环形螺旋运动。通过欧姆、离子回旋、低杂波、中性束注入等方式加热被约束的等离子体，进而使等离子体达到点火条件并发生聚变反应。基于数十年的实验积累，欧盟、中国、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度作为成员方，合作实施了ITER计划；我国在参与ITER计划的同时，结合国情自主推进CFETR研发。

（一）ITER计划聚焦共性基础技术突破

ITER计划实施标志着世界聚变研究进入新发展阶段。2020年进行了ITER重大工程安装启动仪式，完成安装调试后将进入氢、氘等离子体实验阶段；预计2039年进入第二阶段，探索氘-氚放电试验。集成验证先进托卡马克运行模式是ITER计划的科学目标，面临多方面的物理过程和技术挑战，如等离子体的长期稳定运行、聚变阿尔法粒子的物理过程。ITER计划的工程技术目标涉及：用于未来聚变堆的磁体及其相关的供电与控制技术，聚变堆用高功率辅助加热技术，稳态燃烧等离子体的产生、维持与控制技术，加料和排灰技术，高热负荷材料实验，低活化结构材料实验，氚增殖、氚回收与防氚渗透实验，中子屏蔽及中子能量慢化技术，热室技术，远程操作及维修技术。相关技术和实验的突破，将为聚变能源开发利用提供坚实的支撑。

（二）ITER计划成员国开展配套研究

ITER计划牵引了成员国的托卡马克装置发展。各国参与ITER建造和实验，掌握最前沿的聚变技术以及难得的工程实践经验，又进一步促进聚变能源研究的国际合作。与此同时，欧盟、美国、日本等优势国家和地区都在积极探索新一代聚变装置，如欧盟的聚变发展路线包含了3个阶段：近期将在欧洲联合环装置（JET）上进行实验研究，包括氘、氚实验以及ITER配套实验；中期和长期计划推进EU-DEMO装置的设计与建设，最终验证聚变能源商业化的可行性。按照更新后的计划，ITER将在2039年开始使用氘、氚聚变燃料，JET的实验进展增强了科学家实现ITER最终目标的信心。我国在2006年正式加入ITER计划，作为成员国负责多个重要部件的研发设计、制造、装配等任务；参考ITER计划安排，结合国情实际、聚变技术发展趋势，独立提出了磁约束聚变能源发展技术路线。

（三）我国磁约束聚变研究规划

1. 磁约束聚变整体规划

自20世纪90年代起，我国稳步推进托卡马克研究，先后建成了合肥超环（HT-7）（目前退役）、中国环流器二号（HL-2A）、东方超环（EAST）等装置，相关装置的建设和运行为我国聚变研究提供了重要平台。为了推进聚变能源商业化的目标，我国自主制定了磁约束聚变能源发展路线图，分为3个关键阶段：推动CFETR立项并开始装置建设，形成聚变技术实践的基础条件；计划2035年完成CFETR建设，调试装置运行并进行物理实验，逐步验证聚变能源的可行性与稳定性；在CFETR装置上进行磁约束聚变能源的难点技术探索，计划2050年前后建成商业聚变示范电站，实现磁约束聚变能源的商业化应用。为了确保系统的稳定、安全运行，CFETR项目着力突破：稳态的氘、氚等离子体运行技术，氚的增殖、循环、自持燃烧技术，适应长时间高中子辐照、高热负荷环境的聚变堆壁材料技术。此外，合肥综合性国家科学中心承担的“聚变堆主机关键系统综合研究设施”（CRAFT）项目，重点开展聚变堆主要关键系统的设计与开发。为了获得稳定的聚变能源输出，长脉冲是未来聚变堆的重点参考运行方式，但技术难度较高。氚自持的燃料循环、耐高能中子辐照材料等也是聚变能源商业应用的工程技术难题。

近年来，我国磁约束聚变能源技术进步明显，如EAST装置创造了多项世界纪录（以实现超导托卡马克准稳态双输运垒为代表），2023年实现403 s稳态长脉冲高约束模运行。中国环流器三号（HL-3）于2020年建成，实现等离子体电流>1 MA。相关成果标志着聚变物理实验方面取得显著进展、超导磁体等工程技术达到世界先进水平。中国核电工程有限公司继2020年承担ITER主机安装一号合同后，又于2024年中标ITER真空室模块组装合同，表明我国聚变工程建设能力得到国际认可。

2. 积极推进CFETR研究

鉴于ITER计划目标与未来聚变原型电站之间存在一定的差距，我国在2011年提出了CFETR计划，分步开展CFETR物理与工程设计：第一阶段，计划实现聚变功率为50~200 MW、聚变增益为1~5、氚增殖比>1；第二阶段，计划实现聚变功率>1 GW、聚变增益>10。为了适应两个阶段的目标需求，CFETR的大半径、小半径分别设为7.2 m、2.2 m；在第二阶段，着重验证DEMO，探索聚变能源商业化的可行性。“CFETR集成工程设计研究”项目（2017—2020年）顺利结题，全面完成工程设计。

2019年，CRAFT项目正式立项，主体工程涉及极端工况条件下偏滤器系统、大型复杂超导磁体系统等挑战性任务。偏滤器系统包括多个重要组成部分，如偏滤器原型部件、用于工程测试的偏滤器部件工程测试平台、与真空室相关的1/8真空室及总体安装系统、偏滤器原型部件、总控系统、用于远程操作的遥操作系统、辅助加热及电流驱动系统等。超导磁体系统主要涉及磁体性能测试平台、保障磁体稳定性的低温系统、磁体材料综合性能研究平台、中心螺管模型线圈磁体、高温超导磁体、环向场磁体、导体性能研究平台、电源系统等。目前，CRAFT项目全面进入关键部件研制阶段。

3. 紧密跟踪其他聚变技术路线

关注聚变能源国际研究前沿，更加全面地掌握聚变能源技术的新进展，吸收相关研究成果并融入自有聚变能源实践，将增强我国在此领域的竞争力和影响力。近年来，国际上出现了新的聚变堆技术路线。利用高温超导磁体技术开发的紧凑型聚变堆，理论上具有显著的经济优势，也可以加快研发进程，代表性的有美国麻省理工学院的SPARC托卡马克装置、英国卡拉姆聚变能源中心的STEP装置。2023年，德国的仿星器W7-X经过升级，实现等离子体放电时间为8 min，约束性能达到同等规模托卡马克装置的水平。此外，悬浮偶极场等磁约束装置也具有一定的发展潜力。我国正在酝酿紧凑型聚变装置研发，也鼓励高校和科研院所开展其他聚变技术路线探索。我国多家民营企业也在积极参与聚变能源研究，包括新奥集团股份有限公司、陕西星环聚能科技有限公司、能量奇点能源科技（上海）有限公司等，有助于加快聚变能源商业化进程。

2008年，中国工程物理研究院提出了Z-FFR概念。Z-FFR的聚变功率大幅降低且中子更加富裕，有望综合解决聚变氚自持、高聚变增益、耐辐照损伤、裂变燃料增殖、超铀元素嬗变等关键科学问题和工程挑战。

（一）Z箍缩聚变裂变混合堆的基本原理与优势

1. Z箍缩聚变裂变混合堆的基本原理

Z-FFR主要由Z箍缩驱动器、聚变靶与爆室、深次临界裂变包层等构成。Z箍缩驱动器选择直线变压器（LTD）技术路线，采用“分而治之”的设计思想，合理降低了器件的功率要求。理论上，一种基本放电单元如果能够重频长寿命运行，且输出时间抖动满足波形叠加要求，就可以基于该基本放电单元并采用LTD电路拓扑结构建立任意规模的驱动器。Z箍缩驱动器产生约60 MA的电流，电流上升前沿约为数百纳秒。电流沿Z轴方向流过薄金属套筒型负载，产生径向箍缩效应：强大的洛伦兹力驱动套筒以每秒数百千米的速度内爆，碰靶动能>10 MJ；套筒碰到靶外的能量转换层后产生强X射线辐射；X射线能量经黑腔均匀化形成近球对称的辐射场，在聚变靶丸的烧蚀层内形成高温和高压并对内部物质区进行压缩，从而创造出聚变点火及燃烧所需的环境条件。

Z箍缩驱动器能量充足、电能转换为碰靶动能的效率>10%、造价相对低廉、辐射能品质优良（辐射到聚变靶丸表面能量均匀度为1%~2%），相较激光器更适合用作惯性约束聚变能源。采用创新设计的“局部体点火靶”，单发聚变放能可达2000~3000 MJ，若驱动器每10 s放电1次，聚变功率可达200~300 MW。聚变产生的高能中子在深次临界裂变包层内引发裂变反应，再将聚变能量放大10倍以上，即可实现1000 MW以上的电能输出。

2. Z箍缩聚变裂变混合堆的优势

Z-FFR有裂变包层的辅助，聚变部分只需达到Q_Eng=1的水平即可实现聚变能源利用。聚变放能规模降低、高能中子辐照损伤减弱、氚初始投料量减少，提高了整体系统的经济性；裂变包层还提供富裕中子，在实现氚自持的同时可以显著提高铀资源利用率、减少高放射性废物产生量。考虑到聚变裂变结合会增加工程复杂度，Z-FFR采用天然铀或者压水堆乏燃料为燃料，借鉴成熟的压水堆技术并采用简化包层设计、延长换料周期、执行“简便干法”后处理等措施，更加利于工程实现。

按照传统观点，聚变是清洁的终极能源，混合堆因引入裂变而不是理想的选择。实际上，无论是磁约束聚变还是惯性约束聚变，作为能源应用时只能以氘、氚作为燃料；氚具有很强的放射性，聚变堆涉氚量为千克量级，如果发生氚的大规模泄露事故，放射性危害将长达数十年。Z-FFR大幅减少氚的用量（爆室中的氚仅为10毫克级），显著降低氚的泄露风险；裂变部分是固有安全的，在借鉴核工业的成熟经验后并不会增加放射性风险。此外，氘、氚聚变算不上终极能源，主要受制于可开采的锂资源量；如果采用铍增殖中子，还需考虑铍资源的限制。陆地上的锂资源可以供应数百年，陆地上的铀资源可以供应上千年。Z-FFR裂变放能是聚变放能的10倍以上，供能时间长达数千年，是人类未来理想的能源选择。

整体上，Z-FFR的应用优势表现在4个方面。① 固有安全。Z-FFR处于深度次临界运行状态，绝对不会发生超临界事故；非能动余热排出系统等多项措施可确保余热安全；涉及放射性操作的部分置于地下，地上、地下部分完全封闭并隔离。② 经济高效。如果不采用混合堆的技术路线，电功率为1000 MW的Z箍缩聚变堆需要由10个小聚变单元组成，相应的系统造价是难以承受的。同等规模的Z-FFR只需要1个驱动器，总建造成本约为30亿美元，与第三代热中子反应堆相当。③ 千年持久。Z-FFR可以方便持续地燃烧铀-238、钍-232，相应的资源利用率>90%，较热中子反应堆提高两个数量级。根据掌握的陆地铀资源储量，如果单独用于能源供给，可以满足数千年的需求。④ 环境友好。采用“简便干法”后处理过程，可分别处理不同的放射性核素。放射性核素量仅有200 kg/a，半衰期30 a以上的长寿命核素均为β衰变，处理方便。堆外可设置厚的水屏蔽层，使环境处于极低放射性水平。三回路水系统可实现准闭式循环。这些措施简便电厂的场址选择与长期服役。

（二）Z箍缩聚变裂变混合堆研究进展

20世纪末，美国圣地亚国家实验室在其Z装置上获得了总能量为1.8 MJ的X光辐射脉冲，电能到X光的转换效率达到15%。2012年，俄罗斯也启动了聚变点火计划，后因经济原因停滞。中国工程物理研究院长期从事热核武器研究，掌握了惯性约束聚变原理。在SNL公布Z装置的结果后，中国工程物理研究院的一些科学家直观感觉，Z箍缩与其他驱动方式相比能更方便、经济地提供聚变所需条件，因而提出了开展Z箍缩聚变研究的建议。随后，我国组建了一支构成精干，涵盖理论、实验、测试、制靶、驱动器的研究团队，系统开展Z箍缩聚变研究工作。

2007年，研究团队正式提出“局部体点火靶”概念，解决了惯性约束聚变点火难、大规模放能难的问题。2008年，研究团队提出了深度次临界能源包层设计理念，正式形成Z-FFR概念。2013年，研究团队研制了输出电流约为10 MA的强流脉冲功率装置，接近美国的Z装置性能。2020年，研究团队研制了与50 MA驱动器单支路同等规模的LTD单路样机装置；实验定标和理论分析表明，50 MA驱动器可以实现点火和大规模放能。2021年，“电磁驱动大科学装置”项目获得立项，采用LTD技术路线，重点验证“局部体点火靶”技术，同时为Z-FFR重频驱动器研制积累工程经验。2023年，研究团队研制了大功率超快半导体开关，可以满足Z-FFR驱动器重频长寿命的应用需求。

（三）Z箍缩聚变裂变混合堆发展规划

瞄准2040年实现Z-FFR商业化供能目标论证发展规划，提出了3个发展阶段的任务目标。

1. 关键技术攻关阶段（2024—2030年）

针对Z-FFR的3项关键技术同步开展攻关，为后续工程建设筑牢基础。① 聚变点火。建设输出电流为50 MA的Z-箍缩“电磁驱动大科学装置”，验证“局部体点火靶”聚变能源技术路线的可行性，在国际上率先实现单发聚变百兆焦级放能、Q_Eng>1。② 长寿命重频驱动器。功率源充放电>3×10⁶次，重复运行频率为0.1 Hz；建设4路驱动器原型演示装置，为建设下一代聚变能源用大电流长寿命重频驱动器储备技术。③ 深度次临界能源包层。形成包层能量放大倍数>10、氚增殖比>1.15的设计方案，开展缩比换料机构、裂变燃料“干法”循环等的演示验证。

2. 工程演示阶段（2031—2040年）

2035年建成1000兆瓦级热功率的池式综合试验堆，采取逐级推进的方式，分步实现集成演示混合堆各项关键技术的演示目标。① 建设60 MA级长寿命重频驱动器。通过逐步调试，实现驱动器重复运行频率为0.1 Hz、运行次数>1×10⁶次/a。② 演示重复频率聚变放能。聚变单发放能为1 GJ，QSci约为20~30，中子源强约为10¹⁹n/s，验证换靶和余氚回收等技术。③ 在池式综合试验堆上，验证氚自持、包层能量放大功能（能量放大倍数约为10），考核易裂变燃料增殖、超铀元素嬗变功能；开展聚变堆材料辐照试验、医用同位素生产、区域供热等应用探索，推动聚变能源提前应用，初步演示混合堆的经济性。

3. 商业发电推广阶段（2040年以后）

2035年开始建设1000兆瓦级电功率Z箍缩聚变裂变混合堆，2040年进行发电演示，之后进入商业推广阶段。① 在工程演示阶段的基础上，进一步提高混合堆性能，驱动器运行次数>3×10⁶次/a，聚变单发放能约为2~3 GJ，QSci约为20~30，包层能量放大倍数>15。② 演示聚变堆发电的经济性。③ 建成裂变燃料重整和“简便干法”后处理工厂。④ 逐步推广应用。

聚变能源前景广阔，开发机遇与技术挑战并存，正处于从科学研究到工程实践、再到商业应用的发展转折点。面向能源应用的聚变技术路径尚未通过闭环验证，聚变研究距离开发出具有经济竞争力的聚变能源还有“鸿沟”。当前，我国在磁约束聚变、Z-FFR方向处于国际先进水平，Z-FFR有望在2040年后实现商业演示。根据我国磁约束聚变发展规划，有望在2030年前后突破工程能量“得失相当”、2050年前后率先实现聚变能源商业演示。

聚变能源开发可能重塑全球能源发展格局，建议统筹聚变能源开发中的重大问题，合理加大支持力度并集中优势力量，加速我国聚变能源开发进程。在磁约束聚变方面，深入参与ITER计划和相关国际合作，攻关商用聚变堆关键物理与工程技术；着力研发CFETR主机关键部件，适时建设和运营CFETR。在Z-FFR方面，加快“电磁驱动大科学装置”建设，实施聚变能源关键技术攻关，推进Z-FFR的工程演示和商业应用。

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