紫金港资本 | 可控核聚变：开启能源未来的终极钥匙

核裂变是当前核能发电的主要方式，它涉及将重原子核（如铀或钚）分裂成较轻的原子核，同时释放出大量的能量。这个过程类似于将一个大的物体分裂成几个小的物体，释放出能量。核裂变反应需要控制反应速度以避免灾难性的后果，如核爆炸。此外，核裂变产生的废物具有高度放射性，需要长期安全储存。

相比之下，核聚变则是将两个轻原子核（如氢的同位素）结合成一个更重的原子核，如氦，同时释放出巨大的能量。这个过程类似于将两个小物体合并成一个大物体，释放出能量。核聚变反应在极端高温和高压下进行，模拟太阳产生能量的方式。与核裂变不同，核聚变产生的废物辐射性低，且半衰期短，对环境的影响较小。

尽管核聚变和核裂变都能产生大量的能量，但核聚变被认为是更安全、更清洁的能源。核聚变不会产生核裂变中常见的长寿命放射性废物，且其燃料来源丰富，如水中的氘和锂，地球上氘的储量极为丰富，海水中氘的含量约为 0.034 克 / 升，据估算，海水中的氘足够人类使用数十亿年甚至更久。而氚虽然在自然界中存量较少，但可以通过中子和锂制备，这相比于核裂变所使用的铀等原料，其资源获取难度和成本都具有显著优势。然而，核聚变技术目前仍处于研究和开发阶段，尚未实现商业化，主要挑战在于如何经济有效地控制和维持聚变反应。

可控核聚变能实现吗？

要实现核聚变反应并使其可控，需要同时满足三个苛刻的条件，即足够高的温度、一定的密度和一定的能量约束时间，三者的乘积称为聚变三乘积。只有当聚变三乘积大于一定值时，才能产生有效的聚变功率输出。

温度方面：要在地球实现高效核聚变反应，温度大约需要维持在1 亿℃以上，这一温度远远超过了太阳核心温度的数百万摄氏度，如此超高的温度是实现核聚变的基础条件，只有在这种极端高温下，原子核才能获得足够的能量克服彼此之间的电荷排斥力，从而发生聚变反应。

密度方面：等离子体约束区单位体积内氘氚原子核的数量越多，原子核间的碰撞概率就越大，进而能够有效提高核聚变反应率。因此，如何在有限的空间内实现并维持较高的等离子体密度，是可控核聚变研究的关键问题之一。

能量约束时间方面：高温等离子体的能量会以辐射和热传导的形式不断逸出，能量损失的时间被定义为能量约束时间。高能量约束时间意味着装置具有良好的隔热性能，能够使能量流失得更为缓慢，从而为核聚变反应提供更充足的时间，进一步提高核聚变反应率。

目前，实现可控核聚变主要有三种技术路径，即磁约束、激光约束和箍缩，其中磁约束被认为是较为可行的方式，也是当前研究的主流方向。

磁约束核聚变：利用磁场约束带电粒子沿磁力线运动。当核聚变燃料氘氚被加热到上亿度形成等离子体后，质子不再被电子包裹，开始做高速热运动，通过强大的磁场约束质子的运动轨迹，从而避免等离子体接触到容器壁，使核聚变反应能够在相对稳定的环境中持续进行。

目前，磁约束核聚变装置分为环形装置与线形装置两类，分别对应着闭合磁场与开放磁场的不同位型。

环形装置包括经典的托卡马克装置、仿星器以及两类新型装置球形环与反场箍缩；线形装置则在传统的磁镜装置基础上衍生出了串列磁镜与场反位形两类新型装置。

资料来源：Nature，Fusion Energy Base，FIA，浙商证券研究所

其中环形托卡马克被普遍认为是最有希望实现可控核聚变的装置，也是目前主流的研究方向。中国的东方超环（EAST）和国际热核聚变实验堆（ITER）均利用其来尝试实现核聚变反应过程。

但托卡马克装置造价成本高，实验装置的建设动辄都需要到几百亿，商业堆的话则动辄上千亿甚至数千亿，因此在商业上是不现实的。

线性装置成本要大大低于托卡马克。按照行业专家估计，如果按ITER的建造规模，设500兆瓦的能量输出，并网发电大概是200兆瓦，建造成本在1000亿人民币以上，而且还只是一个试验装置。按照这个试验装置的规模推算下来，做成500兆瓦到1000兆瓦的商业堆，成本需要达到2000亿到3000亿人民币。

做线性装置的话，在最短时间、第一代线性装置的发电装置基础上建立一个百兆瓦量级的发电站，成本在50亿人民币左右，基本上售电成本就可以降低到跟火力发电站一个水平。而在后续长期发展过程当中，它能远远低于其它所有电力成本。

可对比的国内外采用可控核聚变线性装置的公司有：Tri Alpha Energy（TAE）、Helion Energy、瀚海聚能等。

激光约束核聚变：采用多台超大功率激光器，对准封装核燃料的氢气小球，同时发射激光，加热和压缩氢燃料。激光在进入环空器后，会击中内壁并使其发出 X 射线，然后这些 X 射线可以将燃料加热到1亿摄氏度，高能激光会使小球表面等离子体化，其余中心材料受到牛顿第三定律驱使，最终会向中央坍缩发生内爆。在内爆时，只要对燃料球给予正确的高温高压就能发生核聚变反应，放出大量能量。

箍缩核聚变：其原理与激光约束类似，不过是把激光换成电流来实现对核聚变燃料的加热和压缩，从而引发核聚变反应。

全球的研究进展：

国际热核聚变实验反应堆（ITER）：ITER项目由中国、美国、欧盟等7国共同建设，总投资达200亿欧元，是目前世界上最大的核聚变实验项目。其目标是通过实现能量增益，即聚变反应产生的能量大于输入能量，来验证聚变技术的可行性。

自1985年发起倡议以来，ITER项目历经多次波折，包括设计调整、预算超支以及部分国家的退出和加入等，但目前仍在稳步推进中，预计托卡马克装置有望在2025年首次开机产生第一炮等离子体，而氘氚聚变实验预计于2035年开始。

中国的可控核聚变研究：“中国环流三号”作为中国自主设计研制的可控核聚变大科学装置，于2020年12月4日建成并实现首次放电，2023年8月25日首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新中国磁约束核聚变装置运行纪录，标志着中国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步。

2024年6月13日，“中国环流三号”又在国际上首次发现并实现了一种先进磁场结构，进一步提升了中国在该领域的国际地位。此外，东方超环（EAST）作为世界上第一个在所有磁体上都使用超导材料的全超导托卡马克，也为中国的可控核聚变研究做出了重要贡献。

其他国家的研究成果：英国的欧洲联合核聚变实验装置（JET）在2022年初的一次实验中，在5秒内产生了59兆焦耳的持续能量，打破了该装置此前创造的纪录。

美国的劳伦斯・利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）在2022年12月5日将2.05兆焦的激光聚焦到核聚变材料上，产生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大于1，达到了“点火”标准，这也是美国在可控核聚变研究领域的一个重要里程碑。

产业链中的关键壁垒

可控核聚变产业链上游为原材料，包括第一壁材料钨、高温超导带材原料REBC0和氚氚燃料。

中游为相关设备，核心设备包括超导磁体、第一壁和偏滤器，其中超导磁体占总投资成本约40-50%。高温超导磁体可大幅提升磁场强度，是装置运行的核心部件，第一壁的作用是控制进入等离子体的杂质、传递辐射到材料表面的热量等，偏滤器的作用是控制等离子体与真空室壁面的相互作用，减少壁面的热负荷和粒子轰击。偏滤器通常位于真空室的上下方，主要用于控制等离子体与真空室壁面的相互作用，减少壁面的热负荷和粒子轰击。

产业链下游为应用环节，核聚变技术主要用于发电、医疗、科研等领域。

1、第一壁

可控核聚变中的第一壁是指直接面对高温等离子体的一层固体结构，它是聚变装置中的关键部分，主要作用是防止杂质进入等离子体，污染等离子体环境，同时快速传递等离子体辐射产生的热量，并在瞬态事件发生时保护其他部件，确保设备和人员的安全。第一壁材料需要具备高熔点、高热导率、低溅射产额和低氚滞留性能等特性，以应对核聚变产生的高热负荷和辐射。

目前，中国在这一领域已经取得了显著进展，处于国际领先水平。中国科研团队成功研发了满足国际热核聚变实验堆（ITER）项目要求的第一壁原型部件，这包括了高难度的材料加工、制造、连接等关键技术的突破。

此外，中国的核聚变研究团队还解决了材料连接技术问题，并成功开发了模拟聚变实际运行工况的氦检漏技术，立项了聚变堆承压部件高温高压热氦检漏方法的国际标准，体现了中国在全球核聚变领域的技术实力和创新能力。

2、高温超导磁体

高温超导磁体的主要作用是产生强大的磁场，以约束高温等离子体，使其在有限的空间内进行核聚变反应，同时减少能量损失。与传统的铜或铝导体相比，超导磁体在稳定运行时没有焦耳热损耗，可以大量节约能源，且所需的励磁功率很小，不需要庞大的供水和净化设备。

高温超导磁体是聚变装置核心，投资成本占比约四成。高温超导磁体较之目前使用的低温超导磁体大幅提升了磁场强度，2021年9月，美国麻省理工CFS团队成功研制了全球首个可用于核聚变的20特斯拉高温超导磁体，标志着高温超导核聚变装置进入功能样机研制阶段。根据ITER初始支出投资计划，超导磁体预计占到总成本37%。而CFS公司的商业化可控核聚变SPARC项目中，百亿研发预算中高温超导磁体的支出预计占比50%。

随着高温超导技术的发展，超导磁体能够产生超高场场强，这使得它们在核聚变装置中的应用越来越广泛。中国科学院合肥研究院等离子体物理研究所成功研制了ITER大型超导磁体系统首个部件，这标志着中国掌握了核聚变工程核心技术，并实现了关键技术出口。

此外，高温超导磁体的研发还包括高温超导电流引线、超导接头、低温绝热、低温高压绝缘等核心技术，其中万安级高温超导电流引线的研发，集高载流能力、低冷量消耗和长失冷安全时间于一体，大大降低了ITER的运行成本和前期低温系统的建造投入。

3、偏滤器

偏滤器是磁约束核聚变装置最为关键的系统之一，直接承受强粒子流和高热流的冲击，服役环境十分苛刻，而满足偏滤器运行环境的热沉材料是聚变堆正常运行的关键，铜合金以高热导率、较高的强度、较好的热稳定性和抗中子辐照性能被认为是聚变堆偏滤器用热沉材料的首要候选材料。

我国偏滤器研发步伐不断加快。为配套EAST项目，2012年，中科院等离子体所启动偏滤器升级改造计划。2018年，法国原子能和替代能源委员会开展的全钨偏滤器托卡马克核聚变实验装置（WEST）对我国自主研制的偏滤器W/Cu部件达成采购意向。除中科院等离子体所外，国光电气承制了中国环流器二号M装置（HL-2M）所需的偏滤器模块，并且生产的偏滤器还应用于ITER计划中。

资本助力商业化路径

商业化挑战

技术难题待突破：目前，虽然在等离子体约束、加热等关键技术上取得了一定突破，但要实现长时间、稳定的核聚变反应，并达到经济可行的能量输出，仍需要进一步攻克诸多技术难题，如更高性能的超导材料研发、更高效的等离子体加热和控制技术等。

工程建设与成本问题：建造可控核聚变反应堆需要巨大的资金投入和复杂的工程建设。ITER 项目的投资规模已达 200 亿欧元，且建设过程中还面临诸多技术和管理上的挑战。此外，如何降低可控核聚变的建设和运营成本，使其在经济上具有竞争力，也是实现商业化的关键因素之一。

材料研发的瓶颈：可控核聚变装置需要耐受极高温度和强辐射的材料，目前现有的材料还难以完全满足这些要求。例如，用于制造核聚变反应堆容器内壁的材料，需要具备良好的耐高温、抗辐射和抗中子损伤等性能，研发这样的高性能材料是当前面临的重要挑战之一 。

据 coherent market insights 和 skyquestt 的测算，预计2024年全球可控核聚变市场规模将达到约3312.6亿美元，并预计到2031年达到4915.5亿美元，2024年至2031年的复合年增长率为5.8%。而求思咨询则测算预计2024年全球可控核聚变市场规模将达到1200亿美元，预计到2031年将达到2652.82亿美元，2024年至2031年期间年均复合增长率为 12%。

根据聚变工业协会发布的《2024年全球聚变行业报告》，核聚变产业在世界范围内已吸引超过71亿美元的投资，自2023年以来，已有超过9亿美元的新资金注入，用于支持核聚变相关技术的发展。其中，政府公共资金支持资金方面，和过去 2个月相比，增长了57%，达到4.26亿美元468. 在过去各公司的融资中，引起较高关注度的是三家美国聚变能源公司，包括 xcimer energy 公司的1亿美元、shine technologies 公司的9000万美元和 helion energy 公司的6500万美元。

紫金港资本认为，可控核聚变作为人类能源领域的终极梦想，虽然目前仍面临诸多挑战，但各国在该领域的持续投入和不断取得的研究进展。在未来的某一天，可控核聚变将成为现实，为人类带来清洁、无限的能源，引领全球能源格局的深刻变革，推动人类社会迈向更加美好的未来。