可控核聚变

实现方式

主要方式

惯性约束和磁约束被认为是实现可控核聚变的主要方式。托卡马克装置是磁约束方式的典型代表。

特点

与现有能源相比，可控核聚变具有释放能量大、原料来源丰富、产生的放射性废物少且安全性更高的特点，被视为终极能源。与传统的核能相比，核聚变更加清洁和安全，其过程不会产生放射性废物，也不会发生失控链式反应。

相关历史

• 1951年：阿根廷的罗纳德·里希特提出利用核聚变获取能量的设想。
• 20世纪50年代：欧美主要国家开始磁约束核聚变研究，提出仿星器、箍缩装置和磁镜装置等概念及实验装置，但性能不理想。
• 同期：苏联物理学家塔姆和萨哈罗夫提出托卡马克装置概念，用于实现磁约束。
• 1954年：苏联建成首个托卡马克装置，实现聚变反应，但能量微弱，放电时间仅300μs，后经改进性能提升。
• 1958年：第二次和平利用原子能国际会议上，各国公布研究成果，加强国际合作。
• 20世纪60年代后期：俄国科学家在T-3 Tokamak上取得显著进展，托卡马克途径逐渐成为磁约束核聚变研究的主流。
• 1976年：美国、苏联倡议在IAEA框架下，由美国、欧洲、日本及俄罗斯共同建造ITER，以验证工程可行性。

实现原理

为实现可控热核聚变并获得能量增益，需满足劳森判据，核心问题是产生并约束一个热绝缘、稳定、高温且密度足够高的等离子体，并维持足够长的时间。约束高温等离子体的方法包括磁约束、惯性约束（引力约束在地球上无法实现）。

磁约束

高温等离子体由高速运动的荷电粒子（离子、电子）组成，可用高强磁场进行约束。磁场越强或粒子电荷越大，约束力越强。托卡马克是性能较好的磁约束装置，其主体结构为内部抽真空的圆环，周围和中心有多组线圈，提供切向磁场和垂直磁场及感应电场，使等离子体束缚在圆环中并进行欧姆加热。

惯性约束

利用激光或激光产生的X射线作为驱动源，均匀加热装填核聚变燃料（氘、氚）的微型球状靶丸外壳表面，形成高温高压等离子体并向外喷射，产生反冲压力，压缩靶丸未加热部分，使核聚变主燃料层密度达到每立方厘米几百克，并在燃料芯部形成高温高密度热斑，点燃聚变反应。燃烧从中心向外迅速传播，靶丸自身惯性约束高温高密度燃烧需足够长时间以充分燃烧并释放大量聚变能。

研究进展

中国

• 2023年：全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）在多个实验中取得重要成果；“中国环流三号”面向全球开放，8月25日下午首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，刷新中国磁约束核聚变装置运行纪录，突破多项关键技术难题，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，运行水平迈入国际前列。因此可控核聚变在12月底入选“2023年度十大科技名词”。
• 2025年：
  • 3月，“中国环流三号”首次实现原子核和电子温度均突破一亿度，综合参数大幅跃升，标志着中国可控核聚变向工程化应用迈出重要一步。
  • 7月18日，中国可控核聚变商业企业建设的直线型场反位形聚变装置HHMAX-901成功实现等离子体点亮，在商业化探索上取得突破。
• 2026年：
  • 1月，EAST实验团队首次证实“托卡马克密度自由区”的存在，为聚变堆高密度运行提供新物理依据，相关研究成果发表于《科学进展》期刊。
  • 《中华人民共和国原子能法》施行，明确将核聚变能纳入国家能源战略布局。

英国

2022年初，欧洲联合核聚变实验装置（JET）在5秒内产生59兆焦耳的持续能量，打破1997年创造的纪录，创造可控核聚变能量新世界纪录。

美国

过去70年，美国尝试用高能激光轰击核聚变材料实现核聚变。2022年12月13日，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室科研人员于12月5日在“国家点燃实验设施”进行首次可控核聚变实验，实现核聚变实验中产生的能量多于用于驱动核聚变的激光能量，为研究可控核聚变技术推动清洁能源发展提供突破性实证，为零碳经济目标实现奠定关键科研基础。

日本

2023年，日本国家聚变科学研究所和美国TAE技术公司携手，首次在磁约束聚变等离子体中实现氢—硼聚变实验。

具体实例

托卡马克装置（TOKAMAK）

20世纪70年代后期到80年代中期，世界各国陆续建成五个大型托卡马克装置：

• 美国TFTR：1982 - 1997年建造于普林斯顿大学等离子体物理实验室，1993年12月使等离子体中心温度达到3至4亿摄氏度，获得聚变功率输出，能量增益因子Q值达0.28。
• 通用原子能公司DIII - D：1980年建成。
• 日本JT - 60：1985年建于日本茨城县那珂市，1989 - 1991年由JT - 60大型托卡马克装置改造成JT - 60U，1996年达到4亿摄氏度中心离子温度，实现等效能量得失相当，最大功率输出增益因子Q达到1.3。
• 欧洲联合环状反应堆（JET）：1982年建造于英国卡拉姆实验室，1991年获得聚变功率输出，1997年能量增益因子Q值达到0.65。
• 俄国T - 15：1988 - 2005年建于莫斯科库尔恰托夫研究所。

国际热核聚变反应堆（ITER）

基本信息

建设历程

• 1985年：里根 - 戈尔巴乔夫倡议苏联，欧盟（通过欧洲原子能共同体），美国和日本平等参与初步设计。
• 1988 - 1998年：进行初步设计，后俄罗斯取代前苏联位置，美国于1999 - 2003年退出，加拿大于2003年退出，中国和韩国加入参与开发研究，印度于2005年12月加入。
• 2006年5月24日：7方代表草签相关合作协议，计划启动。
• 2006年：项目被正式同意并资助，预计2008年开始建设，成本100亿欧元（128亿美元），十年后完成。
• 2013年：核算出现许多拖延和预算超支。
• 2015年：项目审查结论时间轴需往后延长至少6年。
• 2016年：伊朗原子能组织完成参加ITER的初步工作。
• 2017年：完成低温容器底座和底部柱体安装，为托卡马克安装铺平道路，至此完成65%的工作。
• 2020年7月28日：托卡马克装置安装工程启动。

预期进展

• 托卡马克装置有望在2025年首次开机产生第一炮等离子体，氘氚聚变实验预计于2035年开始。
• 2023年1月5日，ITER总干事彼得罗·巴拉巴斯基称，因需对“真空室”部件和“隔热屏”修复，项目将延误，时间未确定。

超导托卡马克（EAST）

基本信息

成果

• 2006年9月28日：首次成功放电，是全球首个投入运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。
• 2016年1月28日：成功实现电子温度超过5千万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电，是国际托卡马克实验装置上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。
• 2016年11月2日：获得超过60秒的稳态高约束模等离子体放电，成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。
• 2017年7月3日：实现稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造新的世界纪录，成为世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。
• 2018年11月12日：首次实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦，等离子体中心电子温度首次达到1亿度。

地位与贡献
EAST具备与ITER最为相近的工程技术条件，承担了ITER采购包中国计划的70%的任务，负责ITER PF6和ITER TAC1总装项目，在稳态长脉冲等离子体运行方面处于国际领先地位，为ITER及未来聚变堆发展提供工程技术和科学理论支持。

激光惯性约束聚变

美国国家点火装置采用此方案，科学家使用192束激光将2.05MJ能量注入内壁为金涂层的圆柱体黑腔，转化为X射线均匀照射中心装填氘氚聚变燃料的球形靶丸，在靶丸表面形成高温高压等离子体，利用反冲击力驱动燃料向心聚爆，压缩和加热聚变燃料等离子体至高温度高密度状态，达到聚变点火条件，在10亿分之一秒内释放3.15MJ聚变能量，首次展示惯性约束核聚变基本科学原理，实现聚变能量大于输入能量超过54%的净能量收益。

发展历程

• 20世纪50年代后期：提出惯性约束聚变构想，利用微型炸药或强X - ray辐射驱动激波压缩加热小质量氘氚燃料实现聚变点火，后利用聚变放能加热水驱动传统发电机发电。
• 20世纪60年代早期：劳伦斯利弗莫尔国家实验室科学家纳科尔斯及其合作者用计算机数值模拟1毫克氘氚燃料内爆点火，后经优化高增益聚变点火驱动能量降低。
• 20世纪70年代末期：随着激光技术发展，高功率激光作为驱动源使可控惯性约束聚变从理论走向实际，先建立总输出能量达10千焦的Shiva激光器进行聚变原理验证，但因激光等离子体参量不稳定性未达聚变点火条件；1984年，采用3倍频、波长为351纳米的Nova激光器投入使用，因激光束能量差异导致实验失败。
• 1997年：世界上最大的激光驱动惯性约束聚变装置——美国国家点火装置（NIF）开始建造，2009年正式建成投入使用，耗资约35亿美元，有三个足球场大小，可将2兆焦能量通过192路激光束聚焦到2毫米空间范围内，实现聚变点火。从2010年10月首次集成点火实验到2022年12月真正实现可控聚变点火，经历12年。

中国环流三号

“中国环流三号”是中国自主设计研制的可控核聚变大科学装置，也被称为新一代“人造太阳”。其团队突破等离子体大电流高约束模式运行控制等关键技术难题，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。磁约束核聚变中的高约束模式比普通运行模式更具经济性，被选为正在建造的国际热核聚变实验堆的标准运行模式。

应用领域

社会生活

可控核聚变技术商业化后，电价将降低，核聚变发电站大量建设可满足人类社会生产生活用电需求，促进工业发展。清洁能源替代化石燃料，环境将得到改善。

国防和军事领域

• 提升武器装备动力性能。
• 有望成为人类星际航行的“第一推力”，若应用于航天领域，将小型聚变反应堆应用于火箭发动机，可为其提供持久、高效、清洁的能源，极大提升航天器速度和持续飞行能力，使探索外太空奥秘、实现星际航行不再受能源问题限制。

优势特点

原料来源丰富

核聚变原料为氘和氚，一升海水中含氘30mg，通过核聚变反应产生的能量相当于300升汽油产生的能量。地球上仅海水中就有45万亿吨氘，若全部通过核聚变转化为能源，按目前世界能源消耗量，可满足人类未来几百亿年的能源需求。

产物安全、清洁

核聚变反应过程和产物不会污染环境，也不会造成核泄漏危害。核聚变需要极高温度，一旦燃料温度下降，聚变反应自动中止，无核裂变的“熔毁风险”或爆炸隐患。反应产生的物质是惰性气体氦，无放射性物质，不会产生温室气体。

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可控核聚变：从实验室到产业化的突破与投资机遇

可控核聚变作为人类终极能源的探索方向，正从科学实验阶段迈向工程化与商业化。2026年初，全球可控核聚变领域迎来多重突破，技术验证与资本市场的双重共振，推动这一赛道成为科技投资的新焦点。

技术突破：从实验室到工程化的关键跨越

1. 磁体技术突破点燃商业化希望
2026年1月，新奥集团宣布其第二代高温超导模型TF线圈通过出厂测试，性能指标达预期设计标准。该磁体系统作为商业聚变堆的核心部件，成本占比高达30%-50%，其技术突破标志着氢硼聚变路线商业化进程加速。高温超导磁体相比传统低温超导磁体，具有磁场强度更高、能耗更低的优势，为聚变装置的能量约束效率提升奠定基础。

2. 实验装置持续刷新纪录

• 中国“东方超环”（EAST）于2025年实现1亿摄氏度1066秒稳态运行，2026年初证实“托卡马克密度自由区”存在，突破密度极限，为高密度运行提供物理依据。
• 成都“中国环流三号”实现“双亿度”等离子体运行，并于2025年3月首次完成电力输出，成为全球首座并网成功的核聚变商业示范电站。
• 能量奇点公司研制的纯导冷结构高温超导磁体成功励磁至20.8特斯拉，并构建自主材料性能测量平台，解决超导材料批量检测难题。

3. 多元技术路线竞速
除主流托卡马克装置外，场反位形（FRC）路线因成本低、建设周期短备受关注。美国Helion Energy公司启动全球首座聚变电厂建设，计划2028年前向微软供电；国内瀚海聚能实现FRC装置等离子体点亮，预计2030年前完成发电型装置能量输出。

产业化进程：政策、资本与产业链协同发力

1. 国家战略与政策支持

• 核聚变能被纳入“十五五”规划前瞻布局未来产业范畴，《中华人民共和国原子能法》明确将受控热核聚变研究写入国家法律，从立法层面保障产业发展。
• 合肥、成都、上海等地依托产业生态形成集聚效应，安徽省成立聚变产业联合会，汇聚200余家企业与研究机构。

2. 产业链协同与资本赋能

• 国企与民企协同：中国科学院合肥物质科学研究院、中核集团等“国家队”引领科学探索，民营企业如星环聚能、新奥集团等在球形托卡马克、燃料研究等领域补位。
• 资本加速布局：聚变金融机构联盟成立，合肥产投集团设立未来聚变能源创投基金；2025年国内主要核聚变项目预计投入达1465亿元，超导磁体市场规模近300亿元。
• 跨主体协同模式：通过共建联合实验室，整合科研资源与产业需求，提升工程化效率。例如，聚变堆主机关键系统综合研究设施为工程化落地提供核心支撑。

投资机遇：核心环节与龙头标的

1. 产业链核心环节

• 上游原料：金属钨、铜等第一壁材料，高温超导带材原料（如钇钡铜氧）。
• 中游设备：磁体系统（占商业堆总成本30%-50%）、偏滤器、真空装备、特种焊接材料等。
• 下游应用：电力输出、氢能制备、深海开发、星际旅行等新兴领域。

2. 重点企业与标的

• 超导材料：西部超导（ITER项目低温超导线材供应商）、永鼎股份（REBCO高温超导带材）。
• 磁体与真空设备：安泰科技（第一壁偏滤器关键材料）、国光电气（真空模块与中子屏蔽）。
• 工程建设：上海电气（全球首台全高温超导托卡马克装置缔造者）、中国核电（参股中国聚变能源公司）。
• 特种装备：华立聚能（BEST真空室承制商）、应流股份（核聚变磁体杜瓦独家供应商）。

3. 基金与指数表现

• 可控核聚变概念板块持续活跃，2025年板块指数涨幅达101%，多只个股股价翻倍。机构建议关注核心材料（如高温超导带材）、核心部件制造（磁体系统）及工程建设领域企业。

未来展望：商业化时间表与挑战

1. 商业化时间表

• 国内目标：2030年前后实现聚变发电演示，2045年左右建成首个商用示范堆，2050年前后建成商用堆。
• 国际进展：美国NIF装置实现目标增益超4，意大利埃尼集团与CFS公司签订超10亿美元售电协议，英国Tokamak Energy计划2034年建成试验工厂。

2. 核心挑战

• 材料瓶颈：上亿度等离子体、高能中子辐照对材料耐久性提出极端要求，需突破耐辐照结构材料、低活化钢等关键技术。
• 工程化难度：聚变装置涉及磁体、真空、加热等多子系统协同，需解决规模化生产、成本控制与安全运维问题。

可控核聚变正从“科学梦想”走向“工程现实”。技术突破、政策扶持与资本共振下，产业链核心环节企业及具备工程化能力的标的将率先受益。投资者需理性区分概念炒作与价值成长，聚焦长期产业趋势与核心竞争力。^{[1][2][3][4][5][6]}

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可控核聚变(图1)

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可控核聚变(图3)

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可控核聚变(图4)

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