可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告-商業(yè)化漸行漸近產(chǎn)業(yè)鏈有望充分受益

相關(guān)研究報(bào)告中銀國際證券股份有限公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格機(jī)械設(shè)備證券分析師：陶波bo.tao@證券投資咨詢業(yè)務(wù)證書編號：S13005200證券分析師：曹鴻生hongsheng.cao@bocichina.c證券投資咨詢業(yè)務(wù)證書編號：S130052302025年4月可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告長時(shí)間以來，可控核聚變被視為解決人類能源危機(jī)的終極方案，卻因?qū)崿F(xiàn)技術(shù)難度大而遙不可及，隨著高溫超導(dǎo)材料、人工智能等技術(shù)的突破，正持續(xù)推動可控核聚變商業(yè)化進(jìn)展，商業(yè)化漸行漸近，產(chǎn)業(yè)鏈有望進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。支撐評級的要點(diǎn)n核聚變被視為人類理想的終極能源，其中托卡馬克裝置最具商業(yè)化潛力。核聚變是幾個(gè)較輕的原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核,實(shí)現(xiàn)將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的過程，由于氘-氚反應(yīng)實(shí)現(xiàn)難度相對最低，成為目前聚變?nèi)剂献钇毡榈倪x擇。核聚變因其燃料資源豐富、能量密度大、清潔無污染、安全性高等突出的優(yōu)點(diǎn)，被視為人類理想的終極能源。目前，磁約束聚變能量約束時(shí)間長、技術(shù)成熟度高、工程可行性強(qiáng)，是實(shí)現(xiàn)聚變能開發(fā)的最有效途徑，其中又以托卡馬克裝置最為成熟，是目前最有可能首先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的技術(shù)路線。根據(jù)IAEA的統(tǒng)計(jì)，截至2024年中，全球共有159個(gè)核聚變項(xiàng)目，其中托卡馬克裝置79個(gè)，占比接近50%。n目前已進(jìn)入工程可行性驗(yàn)證階段，中國在可控核聚變領(lǐng)域處于國際先進(jìn)水平。20世紀(jì)90年代，可控核聚變的科學(xué)可行性已經(jīng)被托卡馬克裝置證明，目前已進(jìn)入工程可行性驗(yàn)證階段，全球最大的由美國、中國、歐洲等35個(gè)國家共同參與建造的托卡馬克裝置ITER，其目的就是解決可控核聚變投資產(chǎn)業(yè)化運(yùn)行前的各種工程化問題。我國聚變研究開始于20世紀(jì)50年代，基本與國際同步，通過多年的持續(xù)投入和不懈努力，中國已經(jīng)建成的EAST、環(huán)流三號等裝置，取得了一系列重要成就，中國的可控核聚變研究在國際上已處于非常先進(jìn)的水平。n高溫超導(dǎo)、人工智能等新技術(shù)的突破，助力可控核聚變商業(yè)化加速實(shí)現(xiàn)。隨著近年來高溫超導(dǎo)技術(shù)的成熟，大幅提升聚變裝置性能的同時(shí)成本持續(xù)下降，疊加AI超預(yù)期發(fā)展對聚變裝置設(shè)計(jì)和控制效率的提升，加快了可控核聚變商業(yè)化落地的預(yù)期，從而帶動更多高校、研究機(jī)構(gòu)和私人資本入局。根據(jù)聚變行業(yè)協(xié)會（FIA）的統(tǒng)計(jì)，截至2024年中，全球私營聚變商業(yè)公司已累計(jì)獲得的總投資額達(dá)到71.2億美元，同比增加9億美元，資本市場融資屢創(chuàng)新高，參與的公司數(shù)量超過45家，公司數(shù)量快速增加。在FIA另外的一個(gè)統(tǒng)計(jì)中，超過70%的商業(yè)核聚變公司認(rèn)為在2035年前將實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)供電，超過50%的公司認(rèn)為2035年將滿足商業(yè)化運(yùn)行的低成本/高效率的條件。n可控核聚變有望帶來龐大市場，產(chǎn)業(yè)鏈或?qū)⒊浞质芤?。聚變?xiàng)目投資大，聚變電站造價(jià)高昂，根據(jù)普林斯頓大學(xué)的研究人員測試，一座1000MW的核聚變電廠成本在27億美元到97億美元之間，若核聚變完全商業(yè)化，根據(jù)IgnitionResearch的預(yù)計(jì)，到2050年將成為一個(gè)至少1萬億美元的市場，可控核聚變潛在市場規(guī)模龐大。目前可控核聚變的產(chǎn)業(yè)鏈主要圍繞托卡馬克裝置展開，未來隨著可控核聚變商業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，產(chǎn)業(yè)鏈或?qū)⑦M(jìn)入快速發(fā)展期而充分受益。估值n隨著技術(shù)的不斷突破，可控核聚變商業(yè)化漸行漸近，產(chǎn)業(yè)鏈或?qū)⑦M(jìn)入快速發(fā)展期而充分受益，建議關(guān)注具備托卡馬克裝置核心零部件制造能力和已獲得相關(guān)訂單的上市公司，推薦合鍛智能、聯(lián)創(chuàng)光電、西部超導(dǎo)、安泰科技，建議關(guān)注國光電氣、永鼎股份、精達(dá)股份、海陸重工等。評級面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)n技術(shù)進(jìn)展不及預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)；技術(shù)路線更替的風(fēng)險(xiǎn)；資金投入不及預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)；行業(yè)政策不及預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)；相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)展不及預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)。2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告2 核聚變優(yōu)勢顯著，被視為人類理想的終極能源 6磁約束是實(shí)現(xiàn)聚變能開發(fā)的有效途徑，托卡馬克是主流裝置 9 世界各國積極探索，目前已進(jìn)入工程可行性驗(yàn)證階段 我國可控核聚變研究與國際同步，部分技術(shù)已處于國際領(lǐng)先地位 超導(dǎo)、AI等新技術(shù)不斷突破，助力可控核聚變商業(yè)化加速實(shí)現(xiàn) 21 聚變堆及電站的造價(jià)高昂，有望帶來龐大市場 25產(chǎn)業(yè)鏈有望充分受益，關(guān)鍵部件國產(chǎn)化發(fā)力國際領(lǐng)先 28 合鍛智能 36聯(lián)創(chuàng)光電 43西部超導(dǎo) 50安泰科技 572025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告3 6 7 7 8 8 9 9 9 10 10 12 13 13 14 14 14 14 15 15 16 16 16 17 18 19 19 19 20 20 20 21 21 212025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告4 22 22 23 24 24 24 25 25 26 27 27 27 28 29 30 30 30 31 31 31 32 32 32 33 33 37 37 38 38 39 39 39 39 40 41 41 44 442025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告5 45 45 46 46 46 46 47 48 48 51 51 52 52 53 53 53 53 54 54 58 58 59 59 60 60 60 60 61 61 622025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告6可控核聚變，人類理想的終級能源解決方案核聚變是指輕原子核結(jié)合成更重的原子核，同時(shí)釋放出巨大能量的過程。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)定義，核聚變是兩個(gè)或多個(gè)較輕的原子核聚合成一個(gè)或多個(gè)較重的原子核和其它粒子的反應(yīng)。在核聚變過程中，反應(yīng)前后的質(zhì)量會發(fā)生微小的虧損，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程（E=mc2這部分虧損的質(zhì)量會轉(zhuǎn)化為能量釋放出來。以經(jīng)典的氘-氚聚變?yōu)槔?，一個(gè)氘核（H）和一個(gè)氚核（H）結(jié)合成一個(gè)氦核（He）和一個(gè)中子（n），同時(shí)釋放出17.6MeV的能量，中子以動能形式攜帶了約80%的能量，這些能量可以被捕獲并轉(zhuǎn)化為熱能用來發(fā)電，其反應(yīng)公式可表示如下：H+H→He+n+17.6Mev圖表1.氘-氚核聚變的基本原理實(shí)現(xiàn)可控的核聚變需要滿足高溫、高壓等苛刻的反應(yīng)條件。氫彈作為武器已實(shí)現(xiàn)了不可控核聚變，但要作為能源使用，就必須實(shí)現(xiàn)能量可控制地緩慢釋放，核聚變需要苛刻的反應(yīng)條件，其中有3個(gè)條件最為關(guān)鍵：溫度：聚變反應(yīng)需要氘和氚原子核直接碰撞，這對于都帶正電荷的兩個(gè)原子核來說是十分困難的。溫度是微觀粒子熱運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)，溫度越高粒子所攜帶的動能也就越大，溫度高到一定程度時(shí)，氘和氚核才可以克服巨大的庫倫勢壘實(shí)現(xiàn)接觸并發(fā)生融合反應(yīng)；粒子密度：較高的等離子體密度也至關(guān)重要，它可以增加粒子之間的碰撞頻率，從而大大提高聚變反應(yīng)發(fā)生的概率；約束時(shí)間：為了實(shí)現(xiàn)有效的核聚變，等離子體還需要在高溫和高密度的狀態(tài)下保持足夠長的時(shí)間，即具備一定的能量約束時(shí)間。較長的約束時(shí)間能夠確保聚變反應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行，源源不斷地產(chǎn)生能量。因此，等離子體溫度、粒子密度和約束時(shí)間的乘積必須大于某個(gè)特定值，才能產(chǎn)生有效的聚變功率，從而實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，這三者的乘積被稱為“勞遜判據(jù)”，是判斷核聚變反應(yīng)是否能夠自持并產(chǎn)生凈能量的重要條件之一。2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告7圖表2.獲得核聚變反應(yīng)的三要素此外，Q值（Q-Value）也是衡量核聚變反應(yīng)效率以及可行性的重要參數(shù)。盡管滿足勞遜判據(jù)是觸發(fā)核聚變的基本條件，但要實(shí)現(xiàn)商業(yè)上的可行性，僅僅達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還不夠，關(guān)鍵在于聚變反應(yīng)釋放的能量必須大于維持聚變所需要的輸入能量，核聚變裝置輸出能量與輸入能量之間的比值被稱為Q值，Q值越高，表明核聚變反應(yīng)越有效率。當(dāng)Q值大于1時(shí)，說明聚變輸出的能量超過了輸入能量，但是如果輸出效率低，成本過高，則依然難以商用，一般認(rèn)為一個(gè)商業(yè)聚變堆的Q值至少需要達(dá)到10。在理想條件下，如果Q值可以無限增大，則意味著系統(tǒng)在一次“點(diǎn)火”后釋放出的能量足夠支持核聚變自持續(xù)進(jìn)行，無需外部能量輸入。氘-氚反應(yīng)實(shí)現(xiàn)難度相對最低，成為聚變?nèi)剂献钇毡榈倪x擇。除了經(jīng)典的氘-氚聚變之外，還有氘-氘聚變、氘-氦-3聚變、質(zhì)子-硼-11聚變等。從物理特性來看，氘-氚聚變的截面較大，即在同等溫度和密度環(huán)境下，氘核和氚核碰撞并融合的概率更高；從技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面來講，氘-氚反應(yīng)的點(diǎn)火溫度相對較低，大約在1億攝氏度左右，相較于其他核聚變反應(yīng)，這一溫度更容易達(dá)成。根據(jù)FIA在《TheGlobalFusionIndustryin2024》中的調(diào)查顯示，截至2024年中，參與調(diào)查的核聚變商業(yè)公司中，氘氚聚變反應(yīng)占比超過68%，是當(dāng)前最主要的核聚變反應(yīng)形式。圖表3.不同核聚變?nèi)剂系暮司圩兎磻?yīng)特點(diǎn)燃料獲取高H+H→H+H+4.03Mev中低H+1B→3He+8.7Mev硼-11儲量豐富2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告8圖表4.三種典型聚變反應(yīng)的三重積核聚變具備燃料豐富、能量密度大、清潔、安全性高等突出優(yōu)點(diǎn)，被視為人類理想的終極能源：燃料資源豐富：核聚變的主要燃料氘可以從海水中提取，地球上海水中的氘儲量相當(dāng)豐富，每升海水中含有約0.03克氘，所以地球上僅在海水中就約有45萬億噸的氘；氚雖然自然界中不存在，但可以通過中子與鋰作用產(chǎn)生，而鋰在地殼和海洋中的儲量也較為豐富。所以從某種意義上說，聚變原料幾乎是無限的，具備成為未來全球能源結(jié)構(gòu)主要組成部分的條件；能量密度大：單位質(zhì)量核聚變釋放的能量遠(yuǎn)高于其他形式的能源，以100萬千瓦的電站一年所需燃料為例，傳統(tǒng)的燃煤電廠需要大約200萬噸煤，燃油電廠需要約130萬噸燃油，核裂變電廠需要約30噸UO2，而核聚變?nèi)剂想南拇蟾?.6噸；清潔環(huán)保：氘氚核聚變反應(yīng)的產(chǎn)物是惰性氣體氦，不產(chǎn)生高放射性、長壽命的核廢物，也不會產(chǎn)生有毒有害氣體或者溫室氣體；安全性高：由于可控核聚變所需的上億度高溫和復(fù)雜磁場等苛刻條件，一旦反應(yīng)堆出現(xiàn)問題，聚變反應(yīng)會立即停止，不會出現(xiàn)“失控”鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而具有固有安全性。圖表5.不同能源類型的特點(diǎn)低中低低源響高高響高高高高高高險(xiǎn) 2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告9核聚變的約束方式主要有引力約束、慣性約束和磁約束三種方式。達(dá)到聚變條件后，還要對高溫聚變物質(zhì)進(jìn)行約束，以實(shí)現(xiàn)長脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，即延長可控聚變反應(yīng)時(shí)間，從而獲得持續(xù)的核聚變能。在核聚變反應(yīng)過程中燃料通常被加溫到1億攝氏度以上，鑒于如此高的溫度，唯有通過特定的場約束技術(shù)，才有可能實(shí)現(xiàn)對熱核聚變?nèi)剂系挠行Ъs束，實(shí)現(xiàn)可控聚變約束有三種途徑，即引力（重力）約束、慣性約束和磁約束。圖表6.聚變約束的三種途徑引力約束是恒星內(nèi)部核聚變反應(yīng)的主要約束方式，目前在地球上無法實(shí)現(xiàn)。恒星自身質(zhì)量巨大，巨大的質(zhì)量產(chǎn)生強(qiáng)大的引力，將氫原子核等物質(zhì)緊緊地束縛在一起，這種強(qiáng)大的引力克服了原子核之間由于帶有相同電荷而產(chǎn)生的靜電斥力，使得原子核能夠靠近到足夠近的距離，從而在高溫高壓的環(huán)境下發(fā)生核聚變反應(yīng)。這種約束方式依賴天體的超大質(zhì)量，是一種天然存在的熱核聚變反應(yīng)堆，然而由于人類無法在滿足足夠小體積的條件下制造出如此大質(zhì)量的物體，因此以人類現(xiàn)階段的技術(shù)手段尚無法在地面上制造出可以實(shí)現(xiàn)引力約束核聚變的反應(yīng)裝置。慣性約束是一種利用粒子的慣性來實(shí)現(xiàn)核聚變的方法，需要大量的能量輸入和精密的控制技術(shù)。慣性約束通常采用高能量的激光或粒子束將燃料加熱和壓縮為等離子體，在自身慣性作用下，等離子體在極短的時(shí)間內(nèi)來不及向四周飛散，在此過程中被壓縮至高溫、高密度的物理狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變反應(yīng)。這種約束方式約束的時(shí)間尺度較短，形成的等離子體具有較高的溫度和密度等特征參數(shù)，需要大量的能量輸入和精密的控制技術(shù)，其中美國的國家點(diǎn)火裝置（NIF）和中國的神光系列研究裝置都是具有代表性的慣性約束核聚變研究裝置。圖表7.太陽發(fā)光發(fā)熱的能量來源是引力約束核聚變圖表8.慣性約束核聚變原理示意圖2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告10磁約束聚變能量約束時(shí)間長、技術(shù)成熟度高、工程可行性較強(qiáng)，是目前實(shí)現(xiàn)聚變能開發(fā)的最有效途徑。由于帶電粒子在磁場中趨向于沿著磁力線運(yùn)動，而橫跨磁力線的運(yùn)動將會受到限制，這時(shí)的磁場可以起到約束帶電粒子的作用。磁約束核聚變通過加熱等外部手段將燃料溫度提升，極高的溫度使得燃料完全電離形成等離子體，然后采用特殊結(jié)構(gòu)的磁場形式把燃料離子和大量自由電子組成的處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使之受到控制地發(fā)生核聚變反應(yīng)，并在此過程中釋放出能量。增強(qiáng)磁場可以大幅度地減小帶電粒子橫越磁力線的擴(kuò)散和導(dǎo)熱特性，使處于磁場中的高溫等離子體與反應(yīng)容器的壁面隔開，從而保護(hù)壁面不受高溫侵襲。[1]由于磁約束的能量約束時(shí)間長、技術(shù)成熟度高、工程可行性較強(qiáng)的特點(diǎn)，在可控性、經(jīng)濟(jì)性和商業(yè)化前景上相比其他約束方式更具有明確的優(yōu)勢，因此被認(rèn)為是目前最有希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模受控核聚變反應(yīng)的一種約束方式，根據(jù)IAEA的統(tǒng)計(jì)，截至2024年11月，全球共有159個(gè)核聚變項(xiàng)目，其中采用磁約束方式的托卡馬克裝置和仿星器裝置共102個(gè)，占比超過60%。圖表9.磁場約束帶電粒子運(yùn)動示意圖圖表10.磁約束是目前主流的聚變約束方式全球可控核聚變裝置占比情況（截至2024年11月）其他其他28.3%托卡馬克49.7%激光慣性約束7.5%仿星器14.5%基于磁約束原理的托卡馬克裝置逐步在核聚變研究領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位?；诖偶s束的基本原理，發(fā)展出了托卡馬克、磁鏡、仿星器、球形托卡馬克、直線箍縮、環(huán)箍縮等多種類型磁約束核聚變裝置，其中托卡馬克裝置因其具有高效的等離子體約束和穩(wěn)定的平衡能力，并且工程上設(shè)計(jì)建造相對簡單、運(yùn)行維護(hù)方便，經(jīng)過多年研究發(fā)展技術(shù)成熟且有多次成功的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再加上廣泛的國際合作和強(qiáng)大的研究基礎(chǔ)，逐步成為目前主流的核聚變裝置。托卡馬克（Tokamak）由蘇聯(lián)科學(xué)家在20世紀(jì)50幾個(gè)詞組成，因其工作中會產(chǎn)生環(huán)形等離子體電流，所以也被稱為環(huán)流器。托卡馬克的形狀酷似一個(gè)“甜甜圈”，擁有一個(gè)環(huán)形真空室，環(huán)形中心是一個(gè)鐵芯變壓器，通過變壓器初級線圈電流的變化產(chǎn)生磁場，從而在環(huán)形真空室內(nèi)形成等離子體電流并加熱等離子體。真空室外有不同方向的線圈，分別產(chǎn)生環(huán)向和縱向的磁場，真空室內(nèi)形成的環(huán)形等離子體電流則會提供極向磁場，最終形成環(huán)形螺旋狀磁場，將等離子體約束在真空室中心。2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告11托卡馬克裝置已被實(shí)驗(yàn)證明具備科學(xué)可行性，目前最有可能首先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。在20世紀(jì)90年代,歐盟的JET、美國的TFTR和日本的JT-60這三個(gè)大型托卡馬克裝置在磁約束核聚變研究中獲得許多重要成果，等離子體溫度達(dá)4.4×108K,這一溫度大大超過氘氚反應(yīng)的點(diǎn)火的要求；在氘氚粒子密度為1:1的實(shí)驗(yàn)中,脈沖聚變輸出功率超過16.2MW；聚變輸出功率與外部輸入功率之比Q等效值超過1.25。這些實(shí)驗(yàn)的成功,初步證實(shí)了基于氘氚的磁約束聚變途徑作為核聚變反應(yīng)堆的科學(xué)可行性,同時(shí)表明托卡馬克是最有可能首先實(shí)現(xiàn)聚變能商業(yè)化的途徑。圖表11.托卡馬克裝置示意圖圖表12.托卡馬克是目前主流的核聚變裝置（單位：個(gè)）02021年2022年2023年2024年11月圖表13.不同類型聚變反應(yīng)裝置的特點(diǎn)束他手段快速壓縮聚變料，以觸發(fā)聚變反應(yīng)壓比值(β值）等低本JT-60、美國TFTR中國準(zhǔn)環(huán)對稱仿星器測試平臺2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告12托卡馬克裝置的主要部件包括真空室（VacuumVessle）、磁體（Magnets）、包層模塊（Blankets）、偏濾器（Divertor）、真空杜瓦（Cryostat）5個(gè)部分，另外還有真空系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、氚增值、電源診斷系統(tǒng)等支持系統(tǒng)。其主要部件的作用為：真空室：是一個(gè)重要的環(huán)形容器，其內(nèi)部創(chuàng)造出一個(gè)高真空環(huán)境，以維持等離子體的存在。等離子體在這樣的環(huán)境下不會與任何物質(zhì)接觸，從而減少熱損失并保持其超高溫狀態(tài)。真空室同時(shí)也承擔(dān)著支撐整個(gè)設(shè)施結(jié)構(gòu)的作用；磁體系統(tǒng)：由多個(gè)線圈組成，其中包括托卡馬克的標(biāo)志性環(huán)向場線圈和中央螺線管，這些線圈產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，用來穩(wěn)定和控制沸騰狀態(tài)的等離子體，防止其接觸到任何實(shí)體表面，此外外側(cè)的極向場線圈用以進(jìn)一步控制等離子體，確保其均勻分布并維持在中心；包層模塊：位于真空室內(nèi)側(cè)，主要作用是隔熱和輻射屏蔽，保護(hù)結(jié)構(gòu)免受熾熱等離子體產(chǎn)生的高熱和中子輻射的傷害，未來的增殖包層還將有助于氚的生成；偏濾器：處于托卡馬克裝置的底部，功能類似于“煙灰缸”，負(fù)責(zé)從等離子體中清除雜質(zhì)和廢物，從而保持整個(gè)環(huán)境的純凈和等離子體的穩(wěn)定；真空杜瓦：圍繞著整個(gè)托卡馬克裝置的外殼，為內(nèi)部組件提供額外的保溫效果，確保設(shè)施內(nèi)部在適宜的溫度下運(yùn)行，同時(shí)也支撐整體結(jié)構(gòu)。圖表14.托卡馬克裝置的主要組成部分（以ITER為例）聚變-裂變混合堆結(jié)合了聚變能和裂變能的優(yōu)勢，同樣具備商業(yè)化潛力。核聚變-裂變混合堆是一種利用核聚變和裂變過程相結(jié)合來生產(chǎn)核燃料及發(fā)電的方法，是一種次臨界能源堆芯，其核心思想在于使用氘-氚聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的高能中子，來激發(fā)聚變反應(yīng)式外的鈾-238或釷-232（這兩個(gè)元素被認(rèn)為是核廢料）這類非易裂變材料的裂變，生成的钚-239或鈾-233在熱中子作用下進(jìn)一步裂變，從而釋放巨大能量并輸出大量中子。裂變能量以熱的形式被導(dǎo)出用于發(fā)電，輸出的中子輸運(yùn)到產(chǎn)氚包層內(nèi)與鋰-6反應(yīng)產(chǎn)生氚，補(bǔ)充聚變消耗，實(shí)現(xiàn)聚變?nèi)剂献猿帧Ｒ驗(yàn)樗玫牧炎儾牧媳旧頍嶂凶訁^(qū)不可維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，故這種裂變在熱堆不會自發(fā)臨界，因此聚變-裂變混合堆在安全性、經(jīng)濟(jì)性、能源優(yōu)化利用以及環(huán)境影響方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，被認(rèn)為是目前最具商業(yè)化機(jī)會的堆型之一，也被視為純聚變堆真正應(yīng)用前的“過渡”堆型。目前國際上主要的混合堆項(xiàng)目有中國“星火一號”、中國Z箍縮驅(qū)動聚變裂變混合能源堆（Z-FFR）、韓國聚變嬗變反應(yīng)堆（FTR）等。2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告13圖表15.聚變-裂變混合堆的物理設(shè)計(jì)示意圖圖表16.聚變-裂變混合堆的相對優(yōu)勢安全性更高2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告14世界各國積極探索，商業(yè)化漸行漸近可控核聚變的科學(xué)可行性已被托卡馬克裝置證明，目前進(jìn)入工程可行性驗(yàn)證階段。核聚變產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可以分為五個(gè)階段：科學(xué)理論、科學(xué)可行性、工程可行性、商業(yè)可行性與商業(yè)堆。自1934年澳大利亞物理學(xué)家奧利芬特（Oliphant）首次實(shí)現(xiàn)氘-氘核聚變反應(yīng)以來，幾乎每個(gè)工業(yè)化國家都建立了自己的聚變物理實(shí)驗(yàn)室，到20世紀(jì)50年代中期，核聚變裝置已在蘇聯(lián)、英國、美國、法國、德國和日本運(yùn)行，通過在這些機(jī)器上的實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們對聚變過程的理解逐漸加深。1968年，蘇聯(lián)取得了重大突破，其研究人員利用托卡馬克裝置，獲得之前從來沒有的溫度水平和等離子體約束時(shí)間，之后托卡馬克就逐漸成為了國際磁約束核聚變研究的主流設(shè)備，托卡馬克裝置的數(shù)量在全球范圍內(nèi)快速增加。直到20世紀(jì)90年代，歐盟的JET、美國的TFTR和日本的JT-60這三個(gè)大型托卡馬克裝置在磁約束核聚變研究中獲得許多重要成果，包括等離子體溫度達(dá)4.4×108K,脈沖聚變輸出功率超過16.2MW，聚變輸出功率與外部輸入功率之比Q值超過1.25，這些實(shí)驗(yàn)的成功證實(shí)了基于氘氚的磁約束聚變作為核聚變反應(yīng)堆的科學(xué)可行性。圖表17.世界第一臺托卡馬克裝置T-1圖表18.目前世界上最大的在運(yùn)行托卡馬克裝置JT-60SAITER是全球最大的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆合作項(xiàng)目之一，旨在驗(yàn)證磁約束聚變能的工程技術(shù)可行性。ITER計(jì)劃（國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃，InternationalThermonuclearExperimentalReactor）是1985年由美蘇首腦倡議、國際原子能機(jī)構(gòu)IAEA支持的超大型國際合作項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)堆位于法國南部，ITER的目標(biāo)是從等離子體物理實(shí)驗(yàn)研究實(shí)現(xiàn)到大規(guī)模電力生產(chǎn)的核聚變發(fā)電廠的轉(zhuǎn)變，ITER建成后將成為世界上最大的托卡馬克裝置。ITER的主要科學(xué)目標(biāo)是，第一階段通過感應(yīng)驅(qū)動獲得聚變功率大于500MW、Q值大于10、脈沖時(shí)間500s的燃燒等離子體；第二階段，通過非感應(yīng)驅(qū)動等離子體電流，產(chǎn)生聚變功率大于350MW、Q值大于5、燃燒時(shí)間持續(xù)3000s的等離子體，研究燃燒等離子體的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，如果約束條件允許，將探索Q值大于30的穩(wěn)態(tài)臨界點(diǎn)火的燃燒等離子體(不排除點(diǎn)火)。ITER項(xiàng)目科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將為商用聚變堆的建造奠定可靠的科學(xué)和工程技術(shù)基礎(chǔ)。圖表19.ITER項(xiàng)目的托卡馬克裝置示意圖圖表20.ITER托卡馬克裝置的主要參數(shù)2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告15ITER項(xiàng)目由中國、美國、俄羅斯、歐洲等七方共同發(fā)起參與。ITER成員國包括中國、歐盟（通過歐洲原子能共同體EURATOM）、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國，這七方成員作為2016年締結(jié)ITER協(xié)議簽署方，將分擔(dān)項(xiàng)目建設(shè)、運(yùn)營和退役的費(fèi)用，同樣還共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及制造、施工和運(yùn)營階段產(chǎn)生的任何知識產(chǎn)權(quán)，其中歐洲承擔(dān)了最大的建造成本（45.6%），其余部分由中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國平均分配（各占9.1%）。圖表21.ITER項(xiàng)目的各國分工情況ITER目前仍處于建設(shè)當(dāng)中，面臨技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)度有所推遲、預(yù)算上漲。ITER的基礎(chǔ)建設(shè)開始于2010年，原計(jì)劃于2025年完成建設(shè)并正式開始等離子體試驗(yàn)，并在2033年實(shí)現(xiàn)全等離子體流，而根據(jù)ITER理事會在2024年6月發(fā)布的最新版項(xiàng)目時(shí)間表，由于新冠肺炎全球的流程和部分部件面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)度進(jìn)一步推遲，計(jì)劃于2034年開始研究操作（StartofResearchOperation，SRO并在2039年開始氘-氚反應(yīng)，較原計(jì)劃推遲4年。另外，根據(jù)2001年最初的設(shè)計(jì)，ITER項(xiàng)目預(yù)計(jì)的總投資額為50億歐元，但是隨著設(shè)計(jì)的更改、施工成本的上升，其預(yù)算也提高到了200億歐元。圖表22.ITER項(xiàng)目時(shí)間線2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告16除了托卡馬克裝置以外，激光慣性約束和仿星器的技術(shù)路線也取得了較大進(jìn)展。在參與ITER計(jì)劃之外，各國也進(jìn)行了獨(dú)立的研究，具有代表性的可控核聚變研究裝置包括中國EAST和HL-2M，美國TFTR和NIF、德國W7-X、歐洲JET等等，根據(jù)IAEA的統(tǒng)計(jì)，截至2024年11月世界范圍內(nèi)聚變裝置達(dá)到159個(gè)，其中在運(yùn)行的裝置有100個(gè)，在建設(shè)中的有14個(gè)，已規(guī)劃的有45個(gè)。這些裝置中除了托卡馬克以外，激光慣性約束和仿星器路線也取得了不錯(cuò)的進(jìn)展：美國國家點(diǎn)火裝置（NationalIgnitionFacility，NIF）是世界上最大的慣性約束聚變設(shè)施和最大的激光裝置，由美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）于2009年2月建造完成，2022年12月NIF首次實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，并且實(shí)現(xiàn)了凈能量增益（輸入能量為2.05MJ，輸出能量達(dá)到3.15MJ），隨后在2023年連續(xù)三次實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火成功，并不斷刷新凈能量增益的記錄；位于德國的WandelsteinX-7是目前是世界上最大的仿星器裝置之一，該裝置在2015年10月完工，在2023年實(shí)現(xiàn)了1.3吉焦耳的能量周轉(zhuǎn)，放電持續(xù)了8分鐘，創(chuàng)下新的記錄。圖表23.全球核聚變裝置數(shù)量及狀態(tài)分布圖表24.美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）布局示意圖圖表25.德國Wendelstein7-X仿星器結(jié)構(gòu)示意圖2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告17我國聚變研究開始于20世紀(jì)50年代，基本與國際同步。早在1955年，錢三強(qiáng)和李正武等一批具有遠(yuǎn)見卓識的科學(xué)家，便提議開展中國的“可控?zé)岷朔磻?yīng)”研究，以探索核聚變能的和平利用；1958年,位于北京的401所（現(xiàn)中國原子能科學(xué)研究院)及中國科學(xué)院物理研究所等科研單位陸續(xù)開展磁約束可控核聚變研究，先后設(shè)計(jì)研制建造了包括脈沖磁鏡、仿星器、角向箍縮裝置和托卡馬克等類型各異的磁約束聚變研究裝置；1972年，受到蘇聯(lián)T-3托卡馬克裝置的啟發(fā)，合肥中科院物理所開始小型托卡馬克裝置的建設(shè)，取名CT-6，意思是“中國托卡馬克”?？傮w來說，從20世紀(jì)50年代的起步到80年代，更加專注于理論基礎(chǔ)研究及對各個(gè)技術(shù)路線的實(shí)驗(yàn)，屬于“小規(guī)模多途徑”的初步探索的階段。從80年代開始，在核能發(fā)展“三步走”路徑的明確指引下，我國聚變能源的研究步入了快速成長的黃金時(shí)期。1983年，原國家計(jì)委、國家科委聯(lián)合召開“核能發(fā)展技術(shù)政策論證會”，首次提出我國核能“熱堆-快堆-聚變堆三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，在國家核能“三步走”發(fā)展路徑的指引下，我國的聚變科學(xué)研究也步入了快速發(fā)展的快車道。1984年，在四川樂山建成的中國環(huán)流器一號（HL-1），是中國核聚變研究史上的重要里程碑，這是中國核聚變領(lǐng)域的第一座大科學(xué)裝置。后續(xù)建成了中國第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7、中國第一個(gè)具有偏濾器位形的托卡馬克裝置中國環(huán)流器二號A（HL－2A世界上第一個(gè)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置東方超環(huán)（EAST）。21世紀(jì)以來，我國核聚變實(shí)現(xiàn)不斷突破，已具備引領(lǐng)全球核聚變發(fā)展的潛力。通過多年的持續(xù)投入和不懈努力，中國在核聚變領(lǐng)域取得了一系列重要成就，中國可控核聚變研究在國際上已處于非常先進(jìn)的水平。EAST裝置自2006年建成運(yùn)行以來，等離子體運(yùn)行次數(shù)超過15萬次，不斷刷新托卡馬克裝置高約束模運(yùn)行新的世界紀(jì)錄，在2012年實(shí)現(xiàn)30秒高約束模，2016年實(shí)現(xiàn)60秒高約束模，2017年實(shí)現(xiàn)101秒高約束模，2023年實(shí)現(xiàn)403秒高約束模，2025年實(shí)現(xiàn)1066秒高約束模，在穩(wěn)態(tài)等離子體運(yùn)行的工程和物理上始終保持國際引領(lǐng)。此外，中國環(huán)流三號（HL-3）在2023年8月25日，宣布首次實(shí)現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行。并且在這一時(shí)期，能量奇點(diǎn)、新奧集團(tuán)、星環(huán)聚能等民營企業(yè)和民間資本陸續(xù)成立和加入可控核聚變的開發(fā)，中國在可控核聚變領(lǐng)域的研究正在加速前行。圖表26.中國可控核聚變發(fā)展歷史2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告18目前在核聚變領(lǐng)域初步形成了西物院和等離子體所牽頭，多家商業(yè)公司積極參與的格局。我國的核聚變研究以核工業(yè)西南物理研究院和中科院等離子體物理研究所這兩大科研機(jī)構(gòu)為核心，都是我國較早致力于可控核聚變和等離子體物理研究的專業(yè)科研院所，分別依托“中國環(huán)流系列”和“東方超環(huán)（EAST）”,推動核聚變的基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)。與此同時(shí)，2020年之后國內(nèi)也涌現(xiàn)了多家商業(yè)公司，包括聚變新能、中國聚變能源、新奧能源、能量奇點(diǎn)、星環(huán)聚能等等，均都獲得了數(shù)億元的融資，這些商業(yè)公司的畫像以高校與科學(xué)家為主，大多采用“科研院所+商業(yè)公司”的協(xié)同模式，未來有望憑借其靈活的市場機(jī)制和創(chuàng)新能力，在推動核聚變技術(shù)應(yīng)用和商業(yè)化方面扮演著重要角色。圖表27.我國參與可控核聚變的機(jī)構(gòu)與公司隸屬于中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司:室及水電部電力科學(xué)院熱工二室合熱核反應(yīng)研究實(shí)驗(yàn)站”聚變新能院等離子體物理研究所磁約束核聚變領(lǐng)域BEST托卡馬克括蔚來系、合肥產(chǎn)投、皖能股份、中國控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體在四川成都宣布成//林斯頓、北大、清華、中科院、上海交大等全高溫超導(dǎo)托卡已完成種子輪和Pre-A輪融中國根據(jù)自己的國情，制定了中國磁約束聚變能發(fā)展路線圖。為了盡早地實(shí)現(xiàn)可控聚變核能的商業(yè)化，充分利用我國現(xiàn)有的托卡馬克裝置和資源，制定了一套完整的符合我國國情的中國磁約束聚變發(fā)展路線示意圖。中國磁約束聚變能的開發(fā)將分為3個(gè)階段：第一階段，力爭在2025年推動中國聚變工程試驗(yàn)堆立項(xiàng)并開始裝置建設(shè)；第二階段，到2035年建成中國聚變工程試驗(yàn)堆，調(diào)試運(yùn)行并開展物理實(shí)驗(yàn)；第三階段，到2050年建成商業(yè)聚變示范電站。其中，CFETR將著力解決一系列存在于ITER和DEMO之間的科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)，包括實(shí)現(xiàn)氘氚聚變等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，公斤級氚的增殖、循環(huán)與自持技術(shù)，可長時(shí)間承受高熱符合、高中子輻照的第一壁和先進(jìn)偏濾器材料技術(shù)等。合肥綜合性國家科學(xué)中心的“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施”項(xiàng)目正在建設(shè)中，將瞄準(zhǔn)聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制，建設(shè)國際一流開放性綜合測試和研究設(shè)施，這為中國掌握未來聚變堆必備的關(guān)鍵工程技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告19圖表28.中國磁約束聚變發(fā)展路線圖CFETR將為未來示范堆和商業(yè)堆的建造積累工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。中國聚變工程試驗(yàn)堆（CFETR）是我國自主研制并聯(lián)合國際合作的重大科學(xué)工程，于2017年12月5日在合肥正式啟動工程設(shè)計(jì)，計(jì)劃2035年建成工程實(shí)驗(yàn)堆，CFETR將直接為DEMO示范堆和未來商業(yè)堆的建造積累工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。CFETR裝置的大半徑R=7.2m，小半徑a=2.2m，將分2個(gè)階段運(yùn)行，第一階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)50-200MW的聚變功率，聚變增益Q=1-5，氚增值率TBR>1.0，中子輻照效應(yīng)約10dpa；第二階段的目標(biāo)是聚變功率>1GW，聚變增益Q>10，在中子輻照效應(yīng)約50dpa的條件下進(jìn)行托卡馬克DEMO驗(yàn)證[1]。圖表29.中國聚變工程試驗(yàn)堆（CFETR）布局示意圖圖表30.CFETR裝置主機(jī)2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告20合肥將建成世界首個(gè)緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置。緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置（BumningplasmaExperimentalsuperconductingTokamak，BEST）作為EAST的后續(xù)項(xiàng)目，將在EAST的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升核聚變能源的經(jīng)濟(jì)性和可行性，并首次演示聚變能發(fā)電，該項(xiàng)目總用地面積約16萬平方米，總建筑面積約15萬平方米。目前該項(xiàng)目正在建設(shè)當(dāng)中，根據(jù)中科院等離子體物理研究所所長宋云濤的預(yù)計(jì)，該項(xiàng)目將于2027年完工，有望成為世界首個(gè)緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置，推動聚變能從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。圖表31.緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置園區(qū)項(xiàng)目（BEST）效果圖國內(nèi)聚變-裂變混合堆也在同步發(fā)展。國內(nèi)的聚變-裂變混合堆概念，主要來自于2008年中國工程物理研究院彭先覺原始提出了Z箍縮驅(qū)動聚變裂變混合堆(Z-FFR)，Z-FFR的聚變功率大幅降低且中子更加富裕，有望綜合解決聚變氚自持、高聚變增益、耐輻照損傷、裂變?nèi)剂显鲋场⒊櫾劓幼兊汝P(guān)鍵科學(xué)問題和工程挑戰(zhàn)。經(jīng)過了多年的理論研究，2021年用于驗(yàn)證Z箍縮聚變點(diǎn)火的科學(xué)可行性“電磁驅(qū)動大科學(xué)裝置”項(xiàng)目獲得四川省發(fā)改委立項(xiàng)，投資規(guī)模達(dá)到50億元。按照發(fā)展規(guī)劃，將在2035年開始建設(shè)1000MW級電功率Z箍縮聚變裂變混合堆，2040年進(jìn)行發(fā)電演示，之后進(jìn)入商業(yè)推廣階段。此外，江西省也有混合堆項(xiàng)目落地。根據(jù)江西省電子集團(tuán)官網(wǎng)顯示，2023年11月12日，江西省人民政府與中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司簽訂全面戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，江西聯(lián)創(chuàng)光電超導(dǎo)應(yīng)用有限公司和中核聚變（成都）設(shè)計(jì)研究院有限公司計(jì)劃各自發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，采用全新技術(shù)路線，聯(lián)合建設(shè)聚變-裂變混合實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目，技術(shù)目標(biāo)Q值大于30，實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電功率100MW，該項(xiàng)目擬落戶江西省，工程總投資預(yù)計(jì)超過200億元人民幣。圖表32.Z-FFR結(jié)構(gòu)示意圖圖表33.電磁驅(qū)動聚變大科學(xué)裝置基本信息2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告21近幾年支持政策不斷推出，“從上到下”支持可控核聚變發(fā)展。在“雙碳”目標(biāo)下，從中央到地方政府制定了一系列政策，來支持可控核聚變的研究和發(fā)展，國務(wù)院《2030年前碳達(dá)峰行動方案》要求推進(jìn)可控核聚變技術(shù)研究；國家發(fā)改委、國家能源局《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》在專欄中指出支持受控核聚變的前期研發(fā)。圖表34.國內(nèi)近幾年可控核聚變相關(guān)支持政策《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略《2030年前碳達(dá)峰行動方案》積極研發(fā)先進(jìn)核電技術(shù)，加強(qiáng)可控核聚變等前《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》《2024年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展加快推動氫能等未來能源產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，持續(xù)推超導(dǎo)技術(shù)能夠大大提升聚變能源的轉(zhuǎn)化效率與能源輸出。由于磁約束聚變主要靠磁場來約束高溫等離子體，因此在高溫、高壓的極端環(huán)境中，磁體材料的性能尤為重要。早期的托卡馬克采用的磁體材料為銅導(dǎo)體，這種導(dǎo)體在強(qiáng)大的電流下不可避免地存在發(fā)熱問題，導(dǎo)致能量耗散嚴(yán)重，使得消耗的能量將超過核聚變產(chǎn)生的能量，而且要把銅線圈產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走，需要過于龐大的冷卻系統(tǒng)，因此限制了磁約束核聚變的長時(shí)間穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。而超導(dǎo)體由于具有零電阻效應(yīng)，且承載電流密度更高有利于建造更加緊湊、更高場強(qiáng)的聚變裝置，能夠有效改善長脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，大大提升聚變能源的轉(zhuǎn)化效率與能源輸出。20世紀(jì)后期，科學(xué)家們開始把超導(dǎo)技術(shù)用于托卡馬克裝置。1979年蘇聯(lián)建造了世界上第一臺低溫超導(dǎo)托卡馬克T-7裝置，將超導(dǎo)磁體技術(shù)引入聚變領(lǐng)域，其縱場磁體系統(tǒng)由48個(gè)超導(dǎo)線圈組成，為后續(xù)聚變裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了重要支持和創(chuàng)新。以T-7為原型設(shè)計(jì)制造的我國首個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7，從1994年建成運(yùn)行到2012年最后一輪實(shí)驗(yàn)，HT-7等離子體放電次數(shù)突破14萬次，雖然HT-7裝置只有縱場磁體采用超導(dǎo)體繞制，用以激發(fā)等離子體的中心螺管磁體和用以控制等離子體的極向場磁體仍采用銅導(dǎo)體繞制，但是仍然在2008年連續(xù)重復(fù)實(shí)現(xiàn)長達(dá)400s的1200萬℃高溫等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)最長放電時(shí)長記錄長，證明了超導(dǎo)材料在磁約束托卡馬克裝置中應(yīng)用的先進(jìn)性。隨后，全球各國開始積極謀劃全超導(dǎo)托卡馬克裝置，2006年，中國等離子體物理研究所自主研制并建成世界上第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置EAST，標(biāo)志著聚變能發(fā)展步入全超導(dǎo)托卡馬克時(shí)代。圖表35.我國首個(gè)超導(dǎo)托卡馬克HT-7裝置主機(jī)圖表36.典型低溫超導(dǎo)托卡馬克主要性能參數(shù)券2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告22低溫超導(dǎo)線圈的磁場強(qiáng)度限制，使得ITER等裝置不得不設(shè)計(jì)的龐大且昂貴。根據(jù)托卡馬克聚變堆功率的相關(guān)公式，其單位體積的聚變功率密度正比于磁場強(qiáng)度的4次方：pfusion/v≈8ph∝βε2q9-B4如果磁場強(qiáng)度上不去，就只能通過提高體積的方式來獲得所需的聚變功率，可見提高磁場強(qiáng)度B是縮小托卡馬克聚變堆尺寸的關(guān)鍵。但是超導(dǎo)臨界電流密度的限制使得低溫超導(dǎo)線圈所能達(dá)到的最高磁場強(qiáng)度非常有限。低溫超導(dǎo)體，如NbTi和Nb3Sn，當(dāng)電流密度超過一定的值就會失去超導(dǎo)態(tài)，這使得NbTi和Nb3Sn磁體分別最高只能達(dá)到8T和13.5T。ITER采用Nb3Sn超導(dǎo)磁體，等離子體中心最高磁場強(qiáng)度只能達(dá)到5.3T，這時(shí)線圈的高場側(cè)達(dá)到13T,因此要達(dá)到500MW聚變功率的目標(biāo)，科學(xué)家不得不將ITER設(shè)計(jì)得很大，等離子體大半徑6.2米，造成ITER的成本居高不下。因?yàn)镮TER采用了低溫超導(dǎo)線圈，才如此龐大和昂貴，要降低成本，減小裝置尺寸，最有效的辦法就是增強(qiáng)磁高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，讓聚變商業(yè)化出現(xiàn)曙光。近年來，以稀土鋇銅氧(RareEarthBariumCopperOxide，REBCO)為代表的高溫超導(dǎo)材料，在工業(yè)化生產(chǎn)能力和性能方面均獲得顯著提升，推動了其在磁體領(lǐng)域的應(yīng)用。與傳統(tǒng)低溫超導(dǎo)材料相比，REBCO材料具有更高的臨界溫度和熱穩(wěn)定性，并且在高磁場下仍能保持出色的載流能力，使得其在聚變領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力。將REBCO材料引入聚變裝置中，不僅能夠顯著提升其磁場強(qiáng)度和聚變性能，還能大幅縮減磁體尺寸，降低托卡馬克裝置的研發(fā)成本和技術(shù)難度，進(jìn)而使聚變裝置在設(shè)計(jì)上更加緊湊和高效，推動其商業(yè)化進(jìn)程。美國麻省理工學(xué)院研究人員在《IEEE應(yīng)用超導(dǎo)匯刊》上發(fā)表6篇論文，宣布通過他們所研發(fā)的新型高溫超導(dǎo)磁體，能夠?qū)⒖煽睾司圩冄b置托卡馬克的體積和成本壓縮至目前的1/40，并成功通過了嚴(yán)格的科學(xué)測試和論證。國內(nèi)外同步進(jìn)行高溫超導(dǎo)材料在核聚變應(yīng)用中的探索?；诙邷爻瑢?dǎo)帶狀導(dǎo)線REBCO，小型聚變實(shí)驗(yàn)堆SPARC的設(shè)計(jì)聚變功率P>50MW、聚變增益Q>2、設(shè)計(jì)磁場12T，等離子體大半徑卻只有1.65m，等離子體體積只有11m2，與EAST差不多，是ITER的1/80。2024年6月18日，位于上海的聚變能源商業(yè)公司能量奇點(diǎn)宣布，由能量奇點(diǎn)設(shè)計(jì)、研發(fā)和建造的洪荒70裝置成功實(shí)現(xiàn)等離子體放電。這是全球首臺全高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置，也是全球首臺由商業(yè)公司研發(fā)建設(shè)的超導(dǎo)托卡馬克裝置，這一裝置的運(yùn)行標(biāo)志著我國在全球范圍內(nèi)率先完成了高溫超導(dǎo)托卡馬克的工程可行性驗(yàn)證。圖表37.從ITER到SPARC，反應(yīng)堆的尺寸不斷縮小圖表38.部分商業(yè)化高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置券AI在數(shù)據(jù)分析、智能預(yù)測、實(shí)時(shí)控制等方面的優(yōu)勢，正在成為推動核聚變研究和應(yīng)用進(jìn)步的重要力量。托卡馬克聚變裝置的難點(diǎn)之一就是精確控制和約束內(nèi)部的等離子體，而隨著人工智能的不斷發(fā)展，AI在核聚變科研中的應(yīng)用正變得日益廣泛和深入，從數(shù)據(jù)分析到模擬預(yù)測，再到控制反應(yīng)過程，AI的技術(shù)正在為核聚變研究帶來革命性的進(jìn)展。以下是幾個(gè)典型應(yīng)用場景：2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告23數(shù)據(jù)解析與規(guī)律發(fā)現(xiàn)：核聚變實(shí)驗(yàn)生成的數(shù)據(jù)量龐大且復(fù)雜，AI配合機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠有效地處理這些數(shù)據(jù)，并從中發(fā)現(xiàn)模式和規(guī)律，這一能力特別有助于分析等離子體的行為，揭示影響其穩(wěn)定性的關(guān)鍵要素，并為控制等離子體以避免不穩(wěn)定現(xiàn)象提供策略；實(shí)驗(yàn)預(yù)測與過程模擬：AI在理論物理與實(shí)驗(yàn)物理之間架起了一座橋梁，利用AI模型對歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以高效預(yù)測核聚變實(shí)驗(yàn)的可能結(jié)果，從而縮短實(shí)驗(yàn)周期，降低研發(fā)成本，幫助科研人員更好地利用現(xiàn)有資源，降低能源消耗，同時(shí)AI模擬技術(shù)為研究人員提供了一個(gè)安全的實(shí)驗(yàn)預(yù)演平臺，幫助他們預(yù)測實(shí)驗(yàn)的潛在結(jié)果和可能遇到的問題；反應(yīng)堆設(shè)計(jì)革新：AI的分析和預(yù)測能力不僅限于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，它們還參與到核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用AI算法研究人員能夠?qū)Ψ磻?yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、選用材料和冷卻方案等進(jìn)行優(yōu)化，提升整個(gè)反應(yīng)堆系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，顯著加快了設(shè)計(jì)從概念到實(shí)現(xiàn)的步伐；對等離子體進(jìn)行實(shí)時(shí)控制：核聚變過程中，等離子體的溫度、壓力、密度和磁場等參數(shù)需要被精確控制，AI能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測等離子體狀態(tài)，預(yù)測其行為變化，并自動調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，確保核聚變反應(yīng)的持續(xù)穩(wěn)定，這種智能控制不僅提高了反應(yīng)的穩(wěn)定性和安全性，還大大減輕了科研人員的工作負(fù)擔(dān)；故障預(yù)防與設(shè)備維護(hù)：AI通過持續(xù)監(jiān)測核聚變反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析，能夠預(yù)測潛在的設(shè)備故障和性能退化，這種基于AI的預(yù)測性維護(hù)減少了意外停機(jī)時(shí)間，從而提升了核聚變反應(yīng)器的運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)效益。AI技術(shù)在等離子體控制方面取得重大進(jìn)展。2022年，谷歌旗下的Deepmind與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院瑞士等離子體中心聯(lián)合，開發(fā)了一個(gè)人工智能深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)，并成功實(shí)現(xiàn)對托卡馬克內(nèi)部核聚變等離子體的控制，隨后在一年之后的2023年，Deepmind宣布改進(jìn)后的算法將等離子體形狀精度提高了65%，并且將訓(xùn)練時(shí)間減少了3倍。2024年2月，普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）的研究人員在《Natural》上發(fā)表論文，宣布其使用美國聚變設(shè)施的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練了一個(gè)可以預(yù)測等離子體不穩(wěn)定性的人工智能模型，提前300毫秒預(yù)測了核聚變等離子不穩(wěn)定態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對等離子體的超前干預(yù)，以應(yīng)對等離子體的逃逸。這項(xiàng)工作成功證明了AI在有效控制聚變反應(yīng)方面的潛力，但這只是推動聚變研究領(lǐng)域的第一步。圖表39.PPPL利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)時(shí)RMP優(yōu)化算法來避免擾動破壞聚變等離子體的穩(wěn)定性資料來源：S.K.Kim，R.Shousha，etal.《Highest券2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告24資本市場融資屢創(chuàng)新高，私營聚變商業(yè)公司數(shù)量快速增加。隨著近年來高溫超導(dǎo)技術(shù)的成熟，大幅提升聚變裝置性能的同時(shí)成本持續(xù)下降，疊加AI超預(yù)期發(fā)展對聚變裝置設(shè)計(jì)和控制效率的提升，加快了可控核聚變商業(yè)化落地的預(yù)期，從而帶動更多高校、研究機(jī)構(gòu)和私人資本入局。根據(jù)聚變行業(yè)協(xié)會（FIA）的統(tǒng)計(jì)，截至2024年中，全球私營聚變商業(yè)公司已累計(jì)獲得的總投資額達(dá)到71.2億美元，同比增加9億美元，資本市場融資屢創(chuàng)新高，參與的公司數(shù)量超過45家，公司數(shù)量快速增加。圖表40.私營聚變商業(yè)公司數(shù)量快速增加超70%核聚變公司預(yù)期2035年前實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，核聚變商業(yè)化可期。根據(jù)FIA最新的《Theglobalfusionindustryin2024》報(bào)告顯示，在參與調(diào)查的37家商業(yè)核聚變公司中，有26家認(rèn)為在2035年前第一臺核聚變機(jī)組將實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)供電；而在報(bào)告中的另一項(xiàng)調(diào)查顯示，在參與調(diào)查的35家公司中，有19家認(rèn)為在2035年之前第一臺核聚變機(jī)組將滿足商業(yè)化運(yùn)行的低成本/高效率的條件。圖表41.超70%聚變公司預(yù)期2035年前實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電圖表42.超半數(shù)公司預(yù)期2035年前滿足聚變商業(yè)化條件2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告25可控核聚變有望帶來龐大市場，產(chǎn)業(yè)鏈充分受益與核裂變電站類似，可控核聚變電站分為核島和常規(guī)島兩部分。核聚變電站與傳統(tǒng)核裂變電站類似，通常由核島和常規(guī)島兩大部分構(gòu)成，其中核島是核聚變電站的核心部分，負(fù)責(zé)將核能轉(zhuǎn)化成熱能；常規(guī)島則是進(jìn)一步將核聚變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化成電能，占據(jù)核電站的最主要成本。圖表43.核聚變電廠示意圖聚變項(xiàng)目投資大，聚變電站造價(jià)高昂。由于目前可控核聚變?nèi)蕴幱谇捌谔剿麟A段，技術(shù)路徑及裝置大小均存在較大差異，所以成本也存在較大的差異，但是從目前已有的聚變項(xiàng)目的投資額情況來看，一個(gè)實(shí)驗(yàn)堆的成本在幾十億美元不等。而如果要建造一座聚變電站，根據(jù)普林斯頓大學(xué)的研究人員測試，一座1000MW的核聚變電廠成本在27億美元到97億美元之間，另外根據(jù)我國核物理專家彭先覺院士的研究顯示，一個(gè)100萬千瓦的磁約束聚變電站的成本預(yù)計(jì)超過100億美元。圖表44.部分核聚變項(xiàng)目投資額情況），NIF 2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告26核聚變電廠的最主要成本來自聚變堆，聚變堆中磁體最主要的部件。據(jù)DehongChen等對CFETR的成本進(jìn)行的測算，若采用全超導(dǎo)托卡馬克的方案，建造一個(gè)200MW的聚變電站，基于2009年的數(shù)據(jù)，其總成本達(dá)到34.6億美元，其中聚變堆核心設(shè)備的成本占比為45.7%。在核聚變堆的核心設(shè)備中，對等離子體起約束作用的超導(dǎo)磁體為最主要的部件，環(huán)向磁場、極向磁場和歐姆加熱線圈合計(jì)成本占聚變堆的38.9%，占聚變電廠的17.8%，其他成本占比較高的部件還包括第一壁和包層、隔熱層、真空室等。圖表45.CFETR聚變電站成本測算（基于2009年）儀表與控制券2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告27根據(jù)NeilMtichell等對ITER裝置和核聚變發(fā)電廠DEMO的成本拆分來看，成本分布跟CFETR的成本分布基本類似，在ITER裝置中磁體系統(tǒng)、容器內(nèi)部件、建筑、真空室的占比最高，分別達(dá)到28%、17%、14%、8%。圖表46.ITER裝置成本拆分電源系統(tǒng)其他輔助系統(tǒng)其他輔助系統(tǒng)7.0%儀表和控制6.0%真空室8.0%儀表和控制6.0%真空室8.0%低溫裝置和冷卻水系統(tǒng)5.0%加熱和電流驅(qū)動7.0%\容器內(nèi)部件17.0%\建筑磁體28.0%14.0%資料來源：NeilMitchell，etal.《Superconductorsforfusion:a圖表47.核聚變發(fā)電廠DEMO成本拆分其他輔助系統(tǒng)儀表和控制真空室容器內(nèi)部件磁體容器內(nèi)部件磁體低溫裝置和冷卻水系統(tǒng)核聚變或?qū)睚嫶蟮脑O(shè)備市場機(jī)遇。按照IAEA在《WorldFusionOutlook2024》中的統(tǒng)計(jì)，按照目前已經(jīng)規(guī)劃了的聚變項(xiàng)目的進(jìn)度來看，預(yù)計(jì)在2025到2030年間有10個(gè)聚變項(xiàng)目建成，若保守的按照單個(gè)項(xiàng)目30億美元的設(shè)備投資額進(jìn)行粗略估算，則未來五年預(yù)計(jì)有300億美元的相關(guān)設(shè)備潛在市場；在2030年至2035年預(yù)計(jì)會有27個(gè)項(xiàng)目建成，帶來超過800億美元的相關(guān)設(shè)備潛在市場。若核聚變完全商業(yè)化，根據(jù)IgnitionResearch的預(yù)計(jì)，到2050年將成為一個(gè)至少1萬億美元的市場。圖表48.2025-2035年預(yù)計(jì)完成的核聚變項(xiàng)目2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告28根據(jù)目前主流的托卡馬克裝置的配置，可以將可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈劃分為上游原料供應(yīng)、中游技術(shù)研發(fā)與設(shè)備制造以及下游整機(jī)建設(shè)和運(yùn)營等環(huán)節(jié)。其中上游原材料，主要包括金屬鎢、銅等第一壁材料、超導(dǎo)材料及氘氚燃料等；中游的技術(shù)研發(fā)與設(shè)備制造環(huán)節(jié)是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的核心部分，包括包層第一壁、偏濾器、高溫超導(dǎo)磁體等關(guān)鍵組件，這些設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造需要極高的精度與可靠性，以確保核聚變裝置能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行；下游的整機(jī)建設(shè)和運(yùn)營環(huán)節(jié)雖然目前尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)電，但卻是研究可控核聚變技術(shù)的最終目標(biāo)和應(yīng)用方向。圖表49.可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈及代表公司積極參與ITER項(xiàng)目，顯著推動了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈升級與技術(shù)創(chuàng)新。中國在ITER項(xiàng)目中負(fù)責(zé)18個(gè)采購包的實(shí)物貢獻(xiàn)，包括磁體支撐、校正場線圈、環(huán)向場線圈導(dǎo)體、極向場線圈導(dǎo)體導(dǎo)體、校正場線圈和饋線導(dǎo)體、磁體饋線系統(tǒng)、第一壁、屏蔽包層等等核心部件。通過承擔(dān)這些核心部件的制造和安裝，推動了我國在超導(dǎo)材料、特種鋼材等關(guān)鍵材料領(lǐng)域，以及精密加工、焊接、裝配等高端制造技術(shù)的進(jìn)步，培育出了較為完整且具備國際競爭力的可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈。2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告29圖表50.ITER項(xiàng)目中國供應(yīng)的主要零部件造導(dǎo)體制造任務(wù)的7.51%量司 提供氫氣和氘氣，為彈丸注入系統(tǒng)（PIS）提供--電，中方承擔(dān)其中14套加熱提供能源；以及與高壓電網(wǎng)間的能量傳輸、-第一壁是聚變裝置的關(guān)鍵部件，對材料的要求極高。第一壁是聚變裝置中直接面向高溫等離子體的一層固體結(jié)構(gòu)，提供了包層系統(tǒng)與等離子體的界面并屏蔽等離子體運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高熱負(fù)荷，它的主要作用是防止雜質(zhì)進(jìn)入等離子體進(jìn)而污染等離子體內(nèi)部環(huán)境，快速地將等離子體輻射產(chǎn)生的熱量傳輸出去，并防止瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)所導(dǎo)致的其他部件損傷進(jìn)而危及人身及設(shè)備安全，其工作環(huán)境極其苛刻，遭受著高溫、高熱負(fù)荷、強(qiáng)束流粒子與中子輻照等綜合作用。因此，根據(jù)第一壁的工作狀態(tài)，第一壁材料應(yīng)該滿足高熔點(diǎn)、低濺射率、低氚滯留、良好的熱導(dǎo)率、與等離子體相兼容的特點(diǎn)。2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告30圖表51.ITER真空室內(nèi)部構(gòu)造資料來源：SlavomirEntler,etal.《Approximationoftheeconomyoffusion圖表52.ITER的第一壁模塊第一壁材料的研究熱點(diǎn)主要有鎢及鎢基合金、碳基材料和鈹?shù)?，其中鎢基合金可能是未來聚變堆理想的第一壁材料。在第一壁材料的應(yīng)用中，一般分為低原子序數(shù)材料和高原序數(shù)材料，低原子序數(shù)材料包括石墨、硼、鋰和鈹?shù)?，高原子序?shù)材料包括鉬和鎢等，目前第一壁材料研究熱點(diǎn)主要有鎢及鎢基材料、碳基材料（石墨、C/C復(fù)合材料）和鈹?shù)龋@三類材料各具特點(diǎn)：鈹：具有低的原子序數(shù)、高的熱導(dǎo)率以及與等離子體適應(yīng)性好、比強(qiáng)度大、彈性模量高、對等離子體污染小、可作為氧吸收劑、中子吸收截面小且散射截面大等優(yōu)點(diǎn)，自從鈹在歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）中使用并取得成功而備受關(guān)注，但是鈹?shù)娜秉c(diǎn)也很明顯，熔化溫度低、蒸氣壓高、物理濺射產(chǎn)額高、抗濺射能力差、壽命短等，另外鈹還具有較強(qiáng)的毒性，使其優(yōu)先級遜于碳基材料和鎢基材料；碳基材料：具有低原子序數(shù)、高熱導(dǎo)率和高抗熱震能力，在高溫時(shí)能保持一定的強(qiáng)度，與等離子體具有良好的相容性以及對托卡馬克裝置中異常事件（包括等離子體破裂、邊緣區(qū)域模）具有高承受能力，因此在與等離子體直接接觸的區(qū)域（如偏濾器垂直靶和收集板）會傾向于使用碳纖維復(fù)合材料（CFC但是碳基材料存在兩大缺陷，一是抗濺射能力差、化學(xué)腐蝕率較大，二是孔隙率較高，這使得其對氘和氚具有較高的吸附性，研究人員開發(fā)出了摻雜石墨材料和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,該復(fù)合材料雖性能較傳統(tǒng)石墨材料有較大提升,但仍存在著與結(jié)構(gòu)材料連接膨脹失配等問題；鎢及鎢基合金：具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、低濺射產(chǎn)額和高自濺射閾值、低蒸氣壓和低氚滯留性能，其缺點(diǎn)是存在高原子序數(shù)雜質(zhì)輻射以及低溫脆性、再結(jié)晶脆性和中子輻射脆化等，研究人員采用合金化、碳化物/氧化物彌散強(qiáng)化、復(fù)合材料等方式都可以改善鎢的韌性，塑性變形后的彌散顆粒增韌鎢可以有效提高鎢的韌性,但也存在著加工工藝復(fù)雜、納米尺寸的第二相均分布困難等問題。[1]近年來，鎢及鎢基合金作為第一壁材料開始受到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，ITER在2023年已確定了將第一壁材料從鈹換成鎢，中國EAST也是經(jīng)歷了向全鎢的轉(zhuǎn)換。因此，鎢及鎢基合金是目前最具應(yīng)用前途的一類第一壁材料。圖表53.幾種第一壁材料在600℃的基本性能6碳纖維復(fù)合材料6鈹4鎢2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告31中國在第一壁材料技術(shù)上已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，處于國際領(lǐng)先水平。根據(jù)ITER官方，我國承擔(dān)了10%的ITER第一壁生產(chǎn)制造任務(wù)，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院牽頭研發(fā)了第一壁采購包半原型部件，在2016年成功通過高熱負(fù)荷測試，在世界上率先通過認(rèn)證。2022年11月22日，ITER增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁完成首件制造，其核心指標(biāo)顯著優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，具備了批量制造條件，這標(biāo)志著中國全面突破“ITER增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁”關(guān)鍵技術(shù)。中國的核聚變研究團(tuán)隊(duì)不僅解決了材料加工、制造、連接技術(shù)的問題，還成功開發(fā)了模擬聚變實(shí)際運(yùn)行工況的氦檢漏技術(shù)，并成功立項(xiàng)了聚變堆承壓部件高溫高壓熱氦檢漏方法的國際標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了中國在全球核聚變領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力和創(chuàng)新能力，展示了中國在核聚變核心科技領(lǐng)域的全球領(lǐng)跑地位。圖表54.第一壁的結(jié)構(gòu)圖表55.我國為ITER提供的增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁首件偏濾器是核聚變裝置的不可或缺的重要組件，工作環(huán)境極為嚴(yán)酷。偏濾器位于真空室上下方，其主要功能為1）排出來自聚變等離子體的能流和粒子流；2）有效地屏蔽來自器壁的雜質(zhì)，減少對芯部等離子體的污染；3）排出核聚變反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的氦灰等產(chǎn)物，并提取有用的熱量用于發(fā)電。偏濾器同樣直接承受強(qiáng)粒子流和高熱流的沖擊，承受高能逃逸離子的沉淀能量，其表面熱負(fù)荷遠(yuǎn)高于第一壁表面平均值，服役環(huán)境同樣十分苛刻。以ITER的偏濾器為例，主要由穹頂板、內(nèi)外靶板、抽氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成，其中內(nèi)、外靶板是受等離子體轟擊最激烈的區(qū)域,同時(shí)也是裝置中熱負(fù)荷最嚴(yán)苛的區(qū)域。圖表56.ITER的偏濾器及靶板構(gòu)造示意圖2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告32偏濾器構(gòu)成主要包括面向等離子體材料和熱沉材料，偏濾器熱沉材料的性能對聚變堆能否成功運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。偏濾器的面向等離子體材料面對的工況與第一壁相似，所以同樣鎢基合金成為理想的材料選擇，我國EAST裝置偏濾器歷經(jīng)3次升級換代,先后采用了3種不同類型的靶板材料，2006年EAST第一次放電時(shí)靶板材料為奧氏體不銹鋼，且無冷卻結(jié)構(gòu);2008年,經(jīng)過升級改造,將偏濾器靶板材料換成了石墨瓦，并增加了主動水冷結(jié)構(gòu);2014年,EAST偏濾器優(yōu)化為類比ITER結(jié)構(gòu)的水冷鎢銅穿管型模塊。而為了維持偏濾器在嚴(yán)苛條件下的正常運(yùn)行，目前主流的解決方案是在偏濾器的熱沉材料中開流道通冷卻劑，帶走等離子體與偏濾器相互作用產(chǎn)生的大量熱量，從而確保偏濾器處于其許用溫度范圍內(nèi)，使偏濾器能夠在聚變堆內(nèi)正常服役。因此，偏濾器熱沉材料的性能對聚變堆能否成功運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。從另一個(gè)角度來說，偏濾器承受高熱負(fù)荷的能力限制了聚變堆運(yùn)行的最大功率，而熱沉材料的熱物理性能和力學(xué)性能是提高偏濾器承受熱負(fù)荷的關(guān)鍵。銅及銅合金成為偏濾器熱沉材料首選。為滿足聚變堆偏濾器的服役環(huán)境，對熱沉材料的性能提出了以下基本要求：1）具有高的熱導(dǎo)率；2）高溫下具有較高的強(qiáng)度和斷裂韌性等力學(xué)性能；3）具有良好的抗中子輻照性能；4）具有長期服役的熱穩(wěn)定性；5）具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，低的均勻腐蝕，無局部腐蝕(如晶間腐蝕或氣蝕)；6）材料中氚的溶解度較低?？煽睾司圩冾I(lǐng)域近30年的研究和工程經(jīng)驗(yàn)表明，銅合金以高熱導(dǎo)率、較高的強(qiáng)度、較好的熱穩(wěn)定性和抗中子輻照性能被認(rèn)為是聚變堆偏濾器用熱沉材料的首要候選材料，也可能是水冷偏濾器熱沉材料的唯一候選材料。圖表57.EAST偏濾器復(fù)合材料構(gòu)造示意圖圖表58.EAST偏濾器的鎢銅穿管結(jié)構(gòu)示意圖磁體系統(tǒng)是整個(gè)磁約束聚變裝置的核心。磁約束聚變裝置的磁體系統(tǒng)的主要作用是產(chǎn)生磁場，用來產(chǎn)生、約束、控制等離子體，是整個(gè)裝置最核心的部件。ITER的磁體系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成，包括環(huán)向磁場(ToroidalField，TF)線圈、中心螺線管(CentralSolenoid，CS)磁體、極向磁場(PoloidalField，PF)線圈以及校正線圈（CorrectionCoil,CC），其中縱向磁場和中心螺線管采用的是Nb3Sn的超導(dǎo)線，用量超過500噸（總長度超過10萬千米）。圖表59.ITER磁體系統(tǒng)2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告33高溫超導(dǎo)磁體大幅提升磁場強(qiáng)度，提升可控核聚變商業(yè)化進(jìn)程。前文中已經(jīng)介紹過，超導(dǎo)體尤其是高溫超導(dǎo)的應(yīng)用大幅提升了托卡馬克裝置的磁場強(qiáng)度，降低托卡馬克裝置的研發(fā)成本和技術(shù)難度，有望推動可控核聚變商業(yè)化的進(jìn)程。高溫超導(dǎo)體一般是指臨界溫度Tc≥25K的超導(dǎo)材料，有實(shí)用價(jià)值的主要有鉍系（例如Bi2Sr2Ca2Cu3O7-δ,Tc=110K）、釔系（例如YBa2Cu3O7-δ,Tc=92K）和MgB2（Tc=40K）材料等。圖表60.低溫超導(dǎo)與高溫超導(dǎo)的比較NbTi（Tc=9.5K），Nb3Sn（Tc=92K）液氮超導(dǎo)磁懸浮、超導(dǎo)感應(yīng)加熱、可控核聚變、高溫超導(dǎo)帶材仍處于產(chǎn)業(yè)化初期。目前具備實(shí)用價(jià)值的鉍系和釔系高溫超導(dǎo)材料都屬于氧化物陶瓷，在制造供應(yīng)商必須克服加工脆性、氧含量的精確控制與基體反應(yīng)等問題，因此價(jià)格較為昂貴，與已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用的低溫超導(dǎo)不同，仍處于產(chǎn)業(yè)化的初期。目前全球主要能夠生產(chǎn)高溫超導(dǎo)帶材的公司有日本SuperPower、中國上海超導(dǎo)、韓國SuNAN等，二代高溫超導(dǎo)帶材結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，一般來說自上而下通常依次為銅層-銀層-超導(dǎo)層-緩沖層-基底層-銀層-銅層，不同生產(chǎn)公司的不同型號的二代高溫超導(dǎo)帶材結(jié)構(gòu)略微有所差異?？煽睾司圩冞M(jìn)展加速，將帶來高溫超導(dǎo)帶材需求增長。根據(jù)上海翌曦科技發(fā)展有限公司創(chuàng)始人兼董事長金之儉在接受采訪時(shí)透露的數(shù)據(jù)，美國CFS公司的SPARC示范裝置超導(dǎo)帶材用量就接近1萬公里，瞄準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電的ARC工程實(shí)驗(yàn)堆需求量可能會達(dá)到2.4萬公里，而2021年全球的超導(dǎo)帶材產(chǎn)能僅3000公里。未來隨著以可控核聚變?yōu)榇淼南掠芜M(jìn)展加速，有望帶動高溫超導(dǎo)帶材需求快速提升、產(chǎn)能快速增長和價(jià)格快速下降。圖表61.各公司第二代高溫超導(dǎo)帶材結(jié)構(gòu)示意圖2025年4月10日可控核聚變行業(yè)深度報(bào)告34投資建議核聚變被視為人類理想的終極能源，其中托卡馬克裝置最具商業(yè)化潛力。核聚變是幾個(gè)較輕的原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核,實(shí)現(xiàn)將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的過程，由于氘-氚反應(yīng)實(shí)現(xiàn)難度相對最低，成為目前聚變?nèi)剂献钇毡榈倪x擇。核聚變因其燃料資源豐富、能量密度大、清潔無污染、安全性高等突出的優(yōu)點(diǎn)，被視為人類理想的終極能源。目前，磁約束聚變能量約束時(shí)間長、技術(shù)成熟度高、工程可行性強(qiáng)，是實(shí)現(xiàn)聚變能開發(fā)的最有效途徑，其中又以托卡馬克裝置最為成熟，是目前最有可能首先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的技術(shù)路線。根據(jù)IAEA的統(tǒng)計(jì)，截至2024年中，全球共有159個(gè)核聚變項(xiàng)目，其中托卡馬克裝置79個(gè)，占比接近50%。目前已進(jìn)入工程可行性驗(yàn)證階段，中國在可控核聚變領(lǐng)域處于國際先進(jìn)水平。20世紀(jì)90年代，可控核聚變的科學(xué)可行性已經(jīng)被托卡馬克裝置證明，目前已進(jìn)入工程可行性驗(yàn)證階段，全球最大的由美國、中國、歐洲等35個(gè)國家共同參與建造的托卡馬克裝置ITER，其目的就是解決可控核聚變投資產(chǎn)業(yè)化運(yùn)行前的各種工程化問題。我國聚變研究開始于20世紀(jì)50年代，基本與國際同步，通過多年的持續(xù)投入和不懈努力，中國已經(jīng)建成的EAST、環(huán)流三號等裝置，取得了一系列重要成就，中國的可控核聚變研究在國際上已處于非常先進(jìn)的水平。高溫超導(dǎo)、人工智能等新技術(shù)的突破，助力可控核聚