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（报告出品方/作者：国泰君安证券，陈磊、王浩、鲍雁辛）
1. 可控核聚变：人造太阳，冉冉升起
万物生长靠太阳。可控核聚变，本质上是在地球上模拟太阳内部发生的 氢核聚变反应。太阳为人类的生存传输了源源不断的能源，不管是光伏、 风电，本质上都来自太阳能，为了获得理想的、可持续的能源，人类不 断地向太阳探求，尝试用对物理本质的理解把太阳“搬运”到地球上来。
1.1. 从化石能源到核能，从裂变到聚变
数千年来，人类经历了从化石燃料到核能的发展历程，高热值、长寿命、 低碳化成为能源选择的主要标准。相比其他能源，核能热值高，燃料可 开采年限长，清洁程度高，是目前人类可探索到最理想的终极能源。
可控核裂变、可控核聚变是和平利用核能的两种方式。裂变开发早，技 术成熟，目前已发展至第四代反应堆。聚变反应条件苛刻，仍处实验阶 段。不过，相比裂变，聚变放能多、原料丰富、放射性废物少、安全性 高，是我国核能发展“热堆-快堆-聚变堆”三步走的高阶阶段。
核能本质上是对于核反应的能量加以利用。核反应是原子核之间的反应， 即核内质子、中子重新排布后形成新的元素；反应前后原子核总质量不 同，其轻微亏损会转化为能量而释放。其中，裂变可以理解为“打碎镜 子”，在中子轰击下，铀原子核会变成另外两个元素的原子核和中子。聚 变可以理解为“破镜重圆”，由两个氢元素的原子核发生碰撞，生成氦原 子、中子。
1.2. 氘、氚作燃料，质量变能量
可控核聚变以氢为原料，原因在于氢的比结合能最小，核内质子、中子 结合得最不牢固，越容易与其他原子核结合。氢的同位素有氕 H、氘 D、 氚 T，在众多组合中，氘氚聚变（DT 聚变）反应截面最大，能够发生反 应的范围最大，所需促使原子核结合的外力（加热、加压）最小，反应 难度最小，因此是目前最为主流的技术路线。 氘氚燃料的获取较为容易。其中，氘可通过电解重水得到，可供人类使 用百亿年。氚虽然在自然界中总量少且分散，但可在聚变堆内用中子轰 击锂 6 产生。
可控核聚变可分为三代，反应难度递增，也越来越清洁。第一代为氘氚、 氘氘反应，门槛相对较低，分别需要达到约 1.5 亿度、6 亿度的高温。第 二代为氘氦-3 反应，需要维持约 8 亿度的高温环境。第三代为氦-3 氦-3 反应，反应条件极为苛刻，需要达到 20 亿度的超高温，尽管如此，由于 该反应不产生中子，不存在中子导致的材料损伤、放射性问题，清洁程 度最高，仍然是当前研究的方向之一。
1.3. 聚变三重积：高温×高压×约束时间
聚变反应发生的条件较为严苛，需要足够高的密度（n）、极高的温度（T） 和较长的约束时间（τE）。其中，高温（T）确保了粒子有足够的速度， 来克服库伦斥力并相互靠近，至少要达到 1 亿度；密度（n）的提高增加 了粒子碰撞的概率，至少要达到 10 20m-3；能量约束时间（τE）用来衡量 热损失的时间，该值越高意味着能量损失越慢，至少要＞3s。将温度、 密度、能量约束时间相乘，得到聚变三重积（n*T*τE），该值可用于判断 聚变效果。
从另一个角度看，若想实现有效的聚变，输出能量势必要大于输入能量， 因此定义能量增益因子 Q（聚变输出功率/外部加热功率）, 作为判断聚 变成功与否的指标。 聚变三重积越大，能量增益因子 Q 值也越大，两者均需达到一定门槛， 聚变才有效。这一门槛取决于聚变判据：1）根据劳森判据，只有聚变产 生的功率能够抵消外部加热的功率，才能实现盈亏平衡，此时聚变三重 积为 3×1021m-3 ·s·KeV，对应 Q=1。2）根据点火判据，无需外界输入能 量，聚变装置就能自行运转。在这种情况下，聚变三重积至少要达到 10 22， 对应 Q=∞。 从目前的工程实践来看，势必要有外部能量的输入来维持聚变堆的运转。 国际热核聚变实验堆（ITER）制定了聚变三重积＞6×1021m-3 ·s·KeV 以及 Q＞10 的目标，旨在验证聚变发电的可行性。未来，如果综合考虑电-热 70%的加热效率、聚变能-电能 40%的发电效率，认为三重积＞7.5×1021m3 ·s·KeV，对应 Q＞30 时商用发电才算成熟。目前，主要的聚变堆仍在向 Q=1 迈进。
2. “人造太阳”极高温、极高压，地球上如何承载
为使聚变条件达成，需要采用一定的约束方式，如引力约束、惯性约束、 磁约束。1）引力约束：主要在太阳内发生，核心是靠高压。太阳内部温 度只有 1500 万度，但由于其质量大、引力强，能够将氢向太阳中心挤 压，从而实现持续的聚变。2）惯性约束：核心是靠粒子自身惯性，达成 瞬时的高温、高压。首先利用驱动器产生能量，冲击装有燃料的靶丸； 靶丸中粒子由于具有惯性，无法迅速散布到周围；此时粒子通过向心内 爆被压缩到高温、高压状态，从而发生聚变反应。3）磁约束：核心是靠 高温，并用外界磁场对等离子体进行约束，从而实现持续的反应。其中 等离子体是物质的第四种形态，是原子的电子被剥离后，所形成的由正 负离子组成的气体状物质。
地球的质量仅为太阳的 33 万分之一，引力远弱于太阳，无法产生与太阳等同的高压环境，因而引力约束难以在地球上实现；惯性约束系瞬时发 生，难以实现持续输出；磁约束是目前实现聚变能开发的最有效途径。
2.1. 惯性约束：激光驱动略胜一筹
惯性约束（ICF）的主要驱动方式包括高功率激光驱动、Z 箍缩驱动和 重离子束驱动等。目前激光驱动的惯性约束聚变（LICF）最为成熟，可 分为直接驱动、间接驱动两种方式。直接驱动是指激光束直接照射内爆 靶球，压缩聚变燃料，从而到达点火、自持燃烧条件。而在间接驱动中， 激光先照射高 Z 材料组成的黑腔，黑腔产生 X 射线，再由 X 射线照射 靶丸，使得靶丸发生内爆，最终实现聚变。由于间接驱动具有较好的辐 照均匀性，为当前主流的点火方式。
激光惯性约束的优势在于装置体积小，劣势主要有两个方面：其一，难 以适用于核电站。可以将激光惯性约束理解为用激光束引爆一个小型氢 弹，反应在瞬时内发生并结束，同时释放巨大的能量，因此激光惯性约 束更适用于军工、国防领域。如果应用于核电站，则需要不断打入激光 来使得聚变反应持续进行，甚至达到 10 发/秒的频率，这对于当前激光 技术仍是较大的挑战。其二，能量转化效率低。激光惯性约束聚变需要 先通电产生激光，再将激光打向靶丸，这一过程的电-光转化效率仅为 1%。 而与之相对的磁约束，从通电到加热燃料，电-热转换效率高达 50%-60%。 近年来，Z 箍缩驱动的惯性约束聚变（Z-ICF）也逐渐成为惯性约束的 重要发展方向。箍缩是一种“金属丝电爆炸现象”，主要过程如下：电流 通过金属柱形薄套筒→套筒形成等离子体→在洛伦兹力下向中心压缩 爆炸。Z 箍缩惯性约束聚变就是通过这种“内爆”产生的力量来压缩靶 丸，创造高温、高压环境从而实现聚变。相较激光惯性约束，Z箍缩惯 性约束的主要优点在于能量转化效率更高。
在 Z 箍缩惯性约束的基础上，我国开发出了 Z 箍缩驱动聚变-裂变混合 堆（Z-FFR）。该混合堆由 Z 箍缩驱动器、能源靶、次临界能源包层构 成，多出来的一层“次临界能源包层”可以理解为一个“裂变堆”。聚变 产生的高能中子将在裂变堆中减速，然后轰击 U235、U238 来发生裂变。
2.2. 磁约束：托卡马克一枝独秀
磁约束的主要装置包括磁镜、仿星器、托卡马克（Tokamak）等。其中， 托卡马克是目前实现粒子约束的主流装置，约束效果好、装置结构相对 简单。
2.2.1. 托卡马克工作原理：获得等离子体→持续加热至高温→发生聚 变反应→实现自持燃烧
托卡马克的工作原理可以分为四个步骤：获得等离子体、持续加热至高温、发生聚变反应、实现自持燃烧。1）获得等离子体：在氘、氚燃料进 入装置后，首先利用磁场生成的电场击穿燃料，将氘氚原子核的核外电 子剥离，使其成为含原子核、电子的等离子体。2）持续加热至高温：利 用中央螺线管的欧姆加热将真空室内温度加热至 2000 万度，再利用辅 助加热系统加热，最终达到约 1 亿度的高温条件。3）发生聚变反应：用 磁场对等离子体产生约束，使之悬空高速旋转，在高温条件下持续反应。 4）实现自持燃烧：反应后，产物α粒子由于带正电，能够被约束在等离 子体内，并继续为等离子体加热。产物中子不带电，无法受到约束，将 轰击内壁中的锂而产氚。这时，再通过燃料系统注入氘，并不断为磁体 系统的线圈通电。至此，高温、磁场、原料再次兼备，反应周而复始。
聚变发电依赖于反应产生的中子，中子在装置内壁减速直到完全停止， 将动能转化为热能，再由冷却水带走，与热交换器（蒸汽发生器）相连 换热，推动汽轮发电机组发电。
2.2.2. 托卡马克五大主体结构：真空室、磁体系统、包层模块、偏滤器、 真空杜瓦
本质上，托卡马克是一个将高温等离子体约束在中央的装置，因此需要 设置磁体系统（Magnets），用磁力约束等离子体。该反应需要在真空环 境内发生，为此设置真空室（Vacuum Vessel），同时真空室还充当了支 撑结构的角色。反应需维持在高温，还会产生一定的中子辐射，真空室 的材料和结构难以应对这一严苛的环境，因此在真空室内侧设置包层模 块（Blankets），来实现热屏蔽、辐射屏蔽。未来，包层模块还将承担产 氚功能，为聚变堆贡献源源不断的氚燃料。此外，反应过程中会产生杂 质，如果飞入等离子体，将会妨碍其稳定运行，因此在装置的最底部装 有一圈偏滤器（Divertor），发挥类似“烟灰缸”的作用，来排出杂质、 氦灰。最后，在装置的最外侧，装有真空杜瓦（Cryostat）。真空杜瓦类 似于“保温壳”，能够保证装置内部的所有部件在工作温度运行。总而言 之，托卡马克采用了以堆芯等离子体为中心，从内到外依次是包层模块 →真空室→磁体系统→真空杜瓦的“洋葱状”包裹结构。
磁体系统是托卡马克最重要的部件之一，本质上是利用多种线圈对等离 子体进行约束。首先，环向场线圈会产生“环向”磁场；其次，中央螺 线管将推动环向等离子体电流的形成，环向等离子体电流会再形成一个 “极向”磁场；两个方向的磁场共同扭成“螺旋状”磁场，使得等离子 体无法从水平、垂直方向飞出。不过，由于环向磁场密度分配不均，等 离子体仍有外扩趋势，因此在外侧设置极向场线圈，再产生一个外部的 “极向”磁场，用来控制等离子体和容器壁的距离。此外，为了更精细 地控制等离子体，还可采用校正场线圈、真空室内部线圈等。
包层模块也是托卡马克最重要的部件，由“马赛克”状的一个个模块构 成。每个模块可分为第一壁、屏蔽模块两个部分。第一壁直接面对等离 子体，屏蔽模块紧随其后，主要提供核屏蔽以及冷却水。
未来包层模块将升级为增殖包层（Breeder Blanket，BB），相比之前加 入了产氚功能。该功能由增殖单元（BreederUnits，BU）实现，由产物 中子和锂 6 发生反应而产氚。氚增殖剂、中子倍增剂、冷却结构是增殖 单元的三个主要组成部分。氚增殖剂是含有锂的小球。中子倍增剂是能 使中子实现增殖的材料，主要是为了防止产物中子损耗导致的产氚效率 降低。同时，为了防止热量堆积，该模块还设置了冷却结构，主要采用 氦冷、水冷等方式降温散热。此外，增殖单元产生的氚并不能自动返回 聚变堆，需要通过配套系统中的氚工厂来进一步处理。
目前，增殖包层仍处于研发阶段。为验证这一技术的可行性，ITER 设 置了实验包层计划（Test Blanket Module, TBM），参与其中的国家将选 择不同技术路线，设计增殖包层所需材料、结构，最终在 ITER 中完成 测试。按照氚增殖剂的不同，增殖包层可分为固态、液态两种，考虑到 当前的工程难度，大部分成员国在 TBM 中选择了固态包层方案。我国 采用了固态氦冷球床方案（HCCB），具体结构由 U 形第一壁、上下盖 板、增殖单元、背板组成。
偏滤器采用“V”字几何结构，由拱顶、内部垂直部件、外部垂直部件、 盒体构成。在运行中，杂质、氦灰将在拱顶处改道，并在磁力线作用下， 顺着偏滤器 V 字形的几何结构从两侧分流，最后由偏滤器下部的抽气泵 抽走。在这一过程中，拱顶、靶板直接面向等离子体，承受高热负荷， 其中靶板热负荷高达 20MW/m2，服役环境在装置中最为严苛，必须通过 高压水流排热。
除此之外，托卡马克还包括加热与电流驱动系统、低温系统等配套系统。 1）加热与电流驱动系统：主要用于加热氘氚燃料，包括中性束注入加热 系统、离子回旋波加热系统以及电子回旋波加热系统。2）低温系统：主 要为超导磁体等创造和维持低温环境。由氦气和氮气制冷机组成，并通 过分配系统的进行分配。3）冷却水系统：将等离子体中产生的热量排放 到环境中。4）诊断系统：测量等离子体的温度、密度等，以及时调整控 制。
氚工厂是未来聚变堆必备的配套系统，其产氚效率将直接影响燃料供应 的稳定性。氚工厂主要与增殖包层配合工作，将其中产生的氚提取出来， 再重新导入聚变堆，对应“外燃料循环系统”。此外，由于氚燃烧效率低， 排灰气体中仍有可用的氚燃料，这部分也可以通过氚工厂进行提取，对 应“内燃料循环系统”。同时，氚具有放射性，如果泄露可能会导致安全事故，为此需要设置“氚安全与包容系统”。
2.2.3. 托卡马克的研制重点：超导材料、面向等离子体材料、增殖单元 材料
在托卡马克中，一方面，强大的磁体系统是提高等离子体约束水平的关 键，另一方面，严苛的反应环境可能会对于面向等离子体的材料造成损 伤。为此，磁体系统、面向等离子体材料（PFMs）是当前研发制备的重 点。未来，聚变堆将加入氚增殖功能，这将由包层中的增殖单元实现， 其中氚增殖剂、中子倍增剂制备复杂，性能对于产氚效率影响大，目前 仍处研发阶段。 1）磁体系统：传统铜导线在通电后会产生电阻，发热严重，无法维持长 脉冲运行。而超导材料在达到一定温度后，电阻会突然消失，从而能够 提供更强的磁场。根据超导性显现温度的不同，以“麦克米兰极限”（39K） 为界，高于的为高温超导材料（HTS），反之为低温超导材料（LTS）。低 温超导材料主要包括铌钛（NbTi）与铌三锡（Nb3Sn），高温超导材料以 BSCCO（第一代）、REBCO（第二代） 为代表，两者均处于液氮温区（77K） 其中 Bi-2223/Ag-Au、Bi-2212、YBCO 发展较快。 为达到超导工作温度，超导材料需加工成 CICC( Cable-in-ConduitConductor) 铠装超导导体的形式。超导材料（也称超导线材、电缆）多 为圆线、带材，在绕制成线圈后，会被装在不锈钢管内，之后在管内通 入液氦，通过液氦与电缆的直接接触，来创造超导材料所需的低温环境。
低温超导材料的主要问题在于性能。低温超导材料的临界磁场低，电流 密度超过一定数值即失去超导态。因此，为实现目标聚变功率，聚变堆 的规模不得不扩大。且低温超导材料临界温度低，需要用昂贵的液氦进 行冷却，这导致冷却成本高昂。高温超导材料主要问题在于加工。高温 超导材料本质上属于氧化物陶瓷，相比铌钛、铌三锡等合金材料，在经 历拉伸、弯曲、扭转等加工工序后，超导性能容易受损，且有可能会发 生断裂，难以形成柔韧的长导线。此外，高温超导材料成本的降低对于聚变堆商业化具有关键意义。铋系 BSCCO 的最低价格可望达到 50 美元 /千安米，而钇系 YBCO 可下降为 15-25 美元/千安米。
2）面向等离子体材料（PFMs）：是指直接面对一亿摄氏度高温等离子体 的材料，主要有包层第一壁、偏滤器靶板用材。由于面临热负荷、中子 辐照、等离子体辐照三重负载，对材料性能的要求较为严苛。 ①高热负荷：商业聚变堆第一壁的工作的温度在 1000℃以上，等离子体 破灭时高达 2000~3000℃。故需选用熔点高、传热性好、不易软化的材 料。②强中子辐照：氘氚聚变产生的 14MeV 高能量中子，会对第一壁材 料进行冲击，导致其嬗变成其他不稳定核素。故需选择低活化材料。③ 强等离子体辐照：真空室中氘/氚等离子体的辐照可能会引发内壁材料溅 射。若溅射的产物进入等离子体，可能会对等离子体造成干扰，导致其 破灭，甚至致使等离子体撞向第一壁，引发爆炸风险。同时，PFMs 若与 氚反应，会导致聚变反应物减少。因此需选择溅射率低、不易与氢反应 的材料。
PFMs 的主要可选材料有碳基材料、铍、钨。碳基材料具有优异的热力 学性能，是最早应用于包层第一壁、偏滤器靶板的材料。但碳基材料氢 吸附力强，会导致原料被损耗，所以逐渐被其他材料取代。铍原子序数 低，质量轻，溅射后对等离子体干扰小，目前主要作为包层第一壁材料。 钨最大的优势在于熔点(3400℃)高、热导率高、热膨胀系数低，所以适用 于热流冲击最大的偏滤器靶板。同时，钨也越来越成为包层第一壁材料 的选择。原先的托卡马克中之所以没有广泛采用钨，主要是因为等离子 体约束的技术尚不成熟。面对高达 100eV 的等离子体能量，钨的自溅射 产额＞1，容易导致溅射超标。而随着等离子体约束水平的提高，等离子 体边缘能量基本能控制在几十 eV 以内，钨的溅射问题不再成为主要困 扰。 此外，液态金属是 PFMs 的第二条路线，其能够以流动形式自我更新， 规避了固态材料寿命短、需替换的缺点。液态锂是当前主要的可选材料 之一，其原子序数低，溅射后对等离子体干扰小；可以承受的最高热负 荷为 50MW/m2，高于钨材料 20MW/m2 的极限。然而，锂较为活泼，在 高温下易对装置材料造成腐蚀，腐蚀产物可能会阻塞液态锂流动的管道。 同时，液态锂如若泄露在等离子体、空气中，均有可能引发安全事故，从而限制了其大范围应用。目前，液态锂主要用于限制器（limiter）第 一壁，在我国 HT-7、EAST 等装置中进行过试验。
3）增殖单元材料：为氚增殖剂、中子倍增剂用材。氚增殖剂可分为固态、 液态两类。固态氚增殖剂多使用硅酸锂（Li4SiO4）、钛酸锂（Li2TiO3）等 组装成的“锂陶瓷球床”；而液态氚增殖剂多使用金属锂和铅组合成的 “液态金属共晶体锂-铅”（LiPb）。不同氚增殖剂对应不同的中子倍增剂 材料，液态氚增殖剂 LiPb 自身就可实现中子倍增，而固态氚增殖剂则需 匹配其他材料。 Be 由于反应截面大，易与中子发生反应，因而是中子倍增剂的优选，具 体可采用 Be 小球或 Be12Ti。Be 小球价值量高、制备工艺难，我国核工 业西南物理研究院采用等离子体电极旋转工艺（REP）制成，成为日本 后第二个掌握该技术的国家。不过，Be 小球各方面性能仍有待研究，特 别是中子轰击后的辐照性能、热导率、机械性能、氚气体流动性、安全 防护等。
2.3. 聚变装置发展史：迈向工程可行性验证
不论是采用惯性约束方式还是磁约束方式，聚变装置都是在不断提升三重积，来验证聚变技术的科学和工程可行性。目前，磁约束总体处于从 科学可行性验证迈向工程可行性验证的阶段，惯性约束核聚变则还处于 科学可行性验证阶段，仍需工程技术的持续突破。
2.3.1. 惯性约束：NIF 达成 Q 值约为 1.5 的成就
激光惯性约束的发展受制于激光技术。1972 年，美国加利福尼亚州劳伦 斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)研究出了激光惯性约束的直接驱动方式， 但当时激光能量在 100kJ 以下，很难实现聚变。1975 年，激光惯性约束 的间接驱动方式在理论上被证实可行。在之后大量工程研究的基础上， 美国国家点火装置(NIF) 于 2009 年建成，并于 2010 年开始进行点火物 理实验。 2022 年 12 月 13 日，美国 NIF 宣告实现了 Q 值（Gtarget）约为 1.5 的 成果，输入能量为 2.05MJ，产生能量为 3.15MJ，突破了 Q=1 的瓶颈。 但实际上，该结果只是聚焦于黑腔，并未考虑整个系统的能量增益。 2.05MJ 仅为激光照射到黑腔上的能量，考虑到较低的电能-激光转化效 率，完成这次实验总共消耗了 322MJ，如果将这一部分考虑在内，NIF 距离工程增益 Q＞1 仍有较远距离。
我国激光惯性约束的研究与美国基本同步。1964 年王淦昌院士提出利用 激光打靶产生中子的实验想法，自此激光惯性约束研究开始，并由中国 工程物理研究院（中物院）领导。经过数十年的研究沉淀，我国自建的 聚变装置神光-II 于2000年正式投入使用，神光-III主机激光装置于2015 年全面投入使用。2020 年的最新记录表明，神光-III 的输出功率已经可 达 180KJ。 在 Z 箍缩惯性约束聚变方面，我国的研究较为深入。2002 年，中物院开 始研制驱动电流达 8-10 MA的 PTS (“聚龙一号”) 装置, 目的是为了初步 掌握驱动器的建造方法，该装置最终于 2013 年建成。此后，基于这一技 术，我国逐渐形成了聚变-裂变混合堆的概念。不过，Z 箍缩物理问题复 杂，目前的实验平台还无法对聚变点火进行直接的实验验证。
2.3.2. 磁约束：国家级科研院所主导，商业化公司切入赛道
磁约束装置规模大，主要由国家组织建设。磁约束以托卡马克为主，最 初由苏联领跑。自 20 世纪 50 年代起，苏联先后研制出了 T-1～T-3 装 置，取得了电子温度达 600～800eV 的成就，为各国所瞩目。自 20 世纪 70 年代起，各国纷纷开始研制大型托卡马克装置。美国普林斯顿大学的 等离子体物理研究所（PPPL）率先将仿星器 C 改装成为托卡马克 ST， 复刻了苏联 T-3 的成果。
在此之后，美国、欧洲、日本、苏联又推出了多种托卡马克装置，分别 是美国普林斯顿的托卡马克聚变试验反应堆（TFTR）、欧洲卡勒姆 （Culham）的欧洲联合环形加速器 （JET）、日本那珂市的日本圆环-60 （JT-60）、前苏联的 T-15，这些装置在聚变三重积上实现了从 1017到 1020 的飞跃，与劳森判据所要求的 1021 已经十分接近。20 世纪 80 年代，国 际热核实验堆(ITER，International Thermonuclear Experimental Reactor） 应运而生，希望在各国的通力合作下，建成一个托卡马克装置，来验证 聚变的工程可行性。ITER 于 20 世纪 90 年代完成概念与工程设计，并于 21 世纪初开始合作谈判，欧洲、美国、中国、俄罗斯、日本、韩国这七 方纷纷加入。ITER 旨在实现 Q=10 的目标，在输入 50MW 的加热功率 后，产生 500MW 的聚变功率，成为全球首个达到劳森判据要求的装置。
21 世纪以来，我国磁约束托卡马克的研究加速，主要单位有核工业西南 物理研究院、中科院等离子体物理研究所。核工业西南物理研究院位于 成都，隶属中核集团，多年来逐步建成了中国环流器一号(HL-1，1984－ 1992)、中国环流器新一号（HL－1M，1994-2001）、中国环流器二号 A （HL-2A）、中国环流器二号 M（HL-2M）、中国环流三号等装置。中科 院等离子体物理研究所位于合肥，由中科院领导，主要的装置有“东方超 环”（EAST）。东方超环是世界上首个全超导托卡马克，旨在实现等离子 体的长脉冲稳定运行。 截至目前，主流磁约束装置的 Q 值均未超过 1，最高记录是 JET 于 1997 年实现的 0.67，此后一直难以复现。此外，日本的 JT-60U 实现了 1.25 的能量增益，但仅为氘氘聚变换算至氘氚聚变所得到的等效增益。
在下一阶段，各国将开始建设自己的示范核电厂（DEMO），以验证聚变 发电的可行性。目前，中国、欧盟、韩国、日本等已提出概念设计，分 别为 CFETR、EU DEMO、K-DEMO、JADEMO，预计将于 203 5 年至 2040 年开始建设，并于 2050 年开始运营。此后各国还将发展商业电站 （PROTO）。
此外，紧凑型托卡马克日渐成为第二条发展路线。根据聚变功率公式 P～ β 2B 4V，聚变输出功率正比于磁场强度的四次方、装置体积的一次方，所 以可以通过提升磁场强度来缩小装置体积。高温超导技术是提升磁场强 度的主要方式，该技术的成熟使得托卡马克的小型化成为可能。小型装 置建造成本低、研发周期短，一方面推动了民营企业的入局，另一方面 推动了聚变研究的加速。 20 世纪 90 年代，英国卡勒姆聚变能源中心开发出了球形托克马克装置。 球形托卡马克与传统托卡马克构成部分基本一致，仅利用球形设计来加强磁场利用率。英国 Tokamak Energy、美国 CFS（Commonwealth Fusion Systems）是该领域的重要参与者。英国 Tokamak Energy 源自卡勒姆聚 变能源中心，于 2009 年成立。2015 年，公司率先建成了全球首台完全 高温超导托卡马克（ST25 HTS），目前公司的装置已迭代至 ST40，未来 还将继续开展 ST80-HTS 计划。美国初创公司 CFS 于 2018 年成立，并 于三年后成功研发出了 20 特斯拉的高温超导磁体，这是当今世界上最 强的核聚变磁体。在此基础上，公司正在建设全高温超导球形托卡马克 聚变堆 SPARC。由于使用高温超导材料 YBCO，SPARC 大小仅为 ITER 的 2%。公司计划于 2025 年在该装置上实现 Q＞2 和聚变功率＞50MW 的目标。此后，公司还将建设商业示范堆 ARC，计划于 2030 年实现超 过 200MW 的聚变功率，并在 Q 值上超过 10。 我国研制小型装置的公司主要有四家，分别是新奥科技、能量奇点、星 环聚能、聚变新能。2019 年，新奥科技“玄龙-50”落地，并实现第一次等 离子体放电。2023 年，星环聚能与清华大学联合建设了中国联合球形托 卡马克 2 号（SUNIST-2），并获得了 100 千安培等离子体电流。2024 年 初，能量奇点设计的全高温超导托卡马克洪荒 70 将按计划开始运行。聚 变新能于 2023 年成立，目前正在建设紧凑型聚变能实验装置（BEST）。
3. 按图索骥，厘清可控核聚变产业链
实现可控核聚变的约束方式不同，对应的装置结构材料也不同。磁约束 托卡马克是当今最为成熟的聚变技术路线，在众多装置中，ITER 规模最 大、设计完备、结构复杂、环节众多，建造涉及 35 个国家，是当前最具 影响力的国际联合项目。ITER 装置可分为主体部分、配套系统。主体 部分研制难度大，主要包括磁体系统、真空室、真空杜瓦、包层模块、 偏滤器五个部分。配套系统需支撑庞大的装置运转，复杂性强，主要包 括电源系统、加热与电流驱动系统、冷却水系统、诊断系统、低温系统 等。
ITER 项目于 2006 年启动，最初估算成本为 50 亿欧元；但由于装置部 件延期、系统出现缺陷，目前成本已增长至 200 亿欧元。在成本拆分上， 2002 年美国 DOE 公开的数据可供参考。该测算立足于 ITER 实验堆的 定位与当时的设计进展，除了考虑到建造主体部分、配套系统所产生的 直接成本外，还测算了包含项目承包、技术研发、集成调试的间接成本， 以及备用和延迟交付设备的成本。 直接成本在 ITER 总成本中占比为 75%，其中主体部分成本、配套系统 占比分别为 40%、35%。在主体部分中，磁体系统涉及超导的研制，技 术壁垒高、线圈数量大，成本高达 21%。真空室体积大、耗材多，成本 占比为 6%。包层模块所用铍材料价格高、加工难，成本占比为 5%。配 套系统中，电源、冷却水系统的技术已经相对成熟，成本占比分别为 6%、 4%；加热与电流驱动系统的作用在于为等离子体加热，需要能够提供高输入功率，涉及物理问题复杂，仍处于设计阶段，成本占比为 6%。
3.1. ITER 项目由欧、中、俄、韩、日、美、印等 7 方 30 个国 家参与，中方承担 9%
ITER 由各国以采购包形式分担，其中欧洲承担 45.5%，其余各国承担 约 9.1%。具体到各环节，在主体部分：真空杜瓦由印度承担，磁体系统 除印度以外均有参与，真空室由欧、韩、俄联合制造，偏滤器由欧、日、 俄制造，包层模块除印度、日本外均有参与。在配套系统中，我国主要 承担电源系统、诊断系统两部分。
我国对于 ITER 的贡献分为两个方面，实物、现金分别占 80%、20%。 在实物方面，我国主要负责 18 个采购包，包括磁体支撑、校正场线圈、 馈线接口、环向场导体、极向场导体、校正场线圈和馈线导体、第一壁、 屏蔽包层、气体注入、辉光放电清洗系统、诊断和脉冲高压变电站、极 向变流器电源系统、无功补偿和滤波系统。
截至 2023 年 7 月，ITER 正式员工总数 1093 人。中方在 ITER 组织中 正式职员 95 人，占职员总数的 8.7%，仅次于欧洲。
3.2. ITER 主导下的国内可控核聚变托卡马克产业链
在托卡马克装置方面，我国公司的订单主要来自于 ITER 采购包、国内 大型聚变装置，目前主要集中于主体部分，包括磁体系统、包层模块、 偏滤器、面向等离子体材料（包层第一壁、偏滤器靶板材料）、增殖单元 材料（中子倍增剂）等环节。
1）磁体系统：超导材料工艺复杂，市场需求大。ITER 以低温超导材料 为主，共需 240 吨 NbTi 超导线、400 吨 Nb3Sn 超导线，我国分别负责 150 吨、30 吨，主要由西部超导、白银有色、宝胜股份（维权）等老牌材料、线 缆企业供货。与此同时，高温超导材料为未来大型聚变堆的发展方向， 也是当前紧凑型聚变堆的关键材料。我国研制高温超导材料的企业主要 有上海超导、上创超导、苏州新材料（永鼎股份旗下企业）、英纳超导、 翌曦科技等。
2）包层模块：ITER 的包层模块分为包层第一壁、屏蔽模块两个部分。 包层第一壁分为三层，最内侧直接面向等离子体，选用铍瓦作为材料， 中间以铜铬锆合金作为热沉材料，背后支撑采用不锈钢 316LN。我国主 要负责包层第一壁的切割、打薄、焊接、组装，布局该环节的公司有国 光电气、安泰科技、航天新力。在屏蔽模块，为确保高真空环境，需用 热氦检漏设备对焊缝进行检验，目前国光电气、东方电气已经在该环节 布局。
3）偏滤器：偏滤器制造的难点主要在于焊接，由于钨与铜合金热膨胀系 数相差极大，在焊接过程中容易产生缝隙，导致在后续使用中开裂、脱 落、漏气，所以需要严格把控焊接界面质量。目前国内掌握该技术的企 业为安泰科技、国光电气。在偏滤器材料方面，偏滤器以钨为第一壁材 料，热沉材料采用铜铬锆合金。钨直接面向等离子体，是影响偏滤器性 能的关键，我国布局该环节的企业主要有厦门钨业、中钨高新等。
4）真空室：真空室采用 316L(N)-IG 材料，其难点主要在于大量的焊接、 几何精度的把握、超高真空的条件，目前布局的企业主要在欧洲、韩国、 俄罗斯。
5）真空杜瓦：真空杜瓦采用 304/304L 不锈钢，目前布局的企业主要在 印度，我国上海电气（维权）、航天晨光也具备外真空杜瓦、外杜瓦矩形波纹管 的制造能力。
3.3. 商业聚变堆，民营企业加速进场
近年来核聚变领域的投融资呈现较好的增长态势，主要集中于自建聚变 堆的民营企业。在我国，主要有新奥科技、能量奇点、星环聚能、聚变 新能四家。我国最早开始聚变研究的企业是新奥科技。公司成立于 2006 年，具有深厚的清洁能源技术研发背景。新奥科技于 2017 年开始聚变研 究，与主流的氘氚聚变不同，公司采用氢硼聚变的技术路线，其装置“玄 龙-50”已于 2019 年建成并实现等离子体放电。下一步公司将投资 40 亿 元建设新奥“和龙”系列，逐步向聚变能商业化发电迈进。 能量奇点成立于 2021 年，其聚变开发思路与美国 CFS 一致，即通过高 温超导磁体的大规模使用，使得聚变装置缩小。公司研制的洪荒 70 目 前已建设完毕，并计划于 2024 年初运行。同时，公司计划于 2027 年建 成一座全超导托卡马克，并于 2030 年建成示范电站。
星环聚能成立于 2021 年，技术脱胎于清华大学工程物理系核能所聚变 团队。公司采用球形托卡马克技术，并在加热技术方面有所创新。与 ITER 等装置中利用大功率射频波和中性束注入不同，公司使用磁重联加热， 并以类似内燃机的方式多冲程运行，规避了电流驱动的高难度以及高成 本，简化了聚变堆的结构，提升了聚变经济性。目前公司与清华大学联合建设的 SUNIST-2 装置已经安装完毕，开始稳定运行，并实现了等离 子体放电。此后公司将继续推进 CTRFR-1、CTRFR-2 的建设。 此外，聚变新能（Neo Fusion）也是商业聚变堆的重要参与者。公司成立于 2023 年 5 月 19 日，由国资主导，蔚来系持股 30%，技术背靠中科 院等离子体物理研究所。公司计划建设紧凑型聚变能实验装置（BEST）， 目前已于 8 月 24 日获合肥市庐阳区发改委批复，将于 2023 年开工， 2026 年建成运行，总计划投资 85 亿元。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
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