聚变能源燃料丰富、无污染，是人类社会未来的理想能源
聚变反应不会向大气中排放二氧化碳或其他温室气 体，符合清洁能源低碳环保大趋势 。材料行业、高温超导、激光器和脉冲功率系统等取 得的巨大进步，为各聚变方向带来最终突破的可能 性。 因此，近年来政府和创业公司在各种路线探索上加 大了投入，聚变能源目前已进入工程化落地关键期， 有望在未来10-30年实现重大突破。
与核裂变相比，核聚变优势更加明显
核反应主要分为两大类：1）核裂变：重元素的原子核分裂为质量较轻元素的原子核时所释放的能量，称为核裂变能； 2）核聚变：小质量元素的原子核聚合成为重核所释放的能量，称为核聚变能。
与核裂变相比： 1）核聚变能量密度大 聚变每公斤燃料产生的能量是裂变的4倍，是石油或煤炭 的近400万倍。 2）核聚变燃料丰富 氘可以从海水中廉价提取，而氚可以通过聚变产生的中子 与天然丰富的锂反应产生。 3）核聚变安全可靠 核聚变难以启动和维持，只能在严格的操作条件下发生， 超出条件（例如事故或系统故障）反应将自然终止。 4）核聚变清洁环保 核聚变不会生成二氧化碳或其他温室气体，同时也不会像 核裂变一样产生高放射性、长衰变期的核废料。
实现聚变发电的两个重要参数：聚变三乘积与Q值
反应堆稳定运行指标：聚变三乘积。当核聚变反应的能量产出率大于能量损耗率，并且有足够能量使核聚变反应稳定持续时，即意味着核聚变点火成功。根据劳森判据， 具体公式为温度、等离子体密度和能量约束时间三者乘积大于一定值。
核聚变发电指标：Q值。一个核聚变反应堆释放能量和消耗能量的比值被称为Q值。Q值大于1的时候，意味着核聚变反应产生了净能量增益。一般认为：当Q 值大于5的时候，核聚变反应堆能够自我维持；Q值大于10的时候核电站才能有收益；Q值大于30的时候核聚变发电站可以商业化。
可控核聚变当前已进入工程可行性验证阶段
1991年，欧洲JET装置实现核聚变史上第一次氘氚运行实验，聚变功率 达到1.7MW，能量增益因子Q值达0.11-0.12 。1993年，美国TFTR装置氘氚运行也获得成功，聚变功率达到5.6MW， 能量增益因子Q值达0.28 。1997年，欧洲JET装置又创下聚变功率为12.9MW的世界纪录，能量增 益因子Q值达0.60 。 1998年，日本JT-60U装置，能量增益因子Q值达到1.25 。2006年，ITER项目正式启动，目标聚变功率达到500MW，能量增益因 子Q值达到10。
各国进展：美国、欧洲、中国较为领先
国内进展： 1. 我国在磁约束核聚变技术方面进行了大量研究，实验装置包括东方超环“EAST”、中国环流器二号M“HL-2M”等。 2. 2022年10月，中核集团核工业西南物理研究院“HL-2M”装置等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造了我国可控核 聚变装置运行新纪录。 3. 2023年4月，中国科学院等离子体物理研究所“EAST”装置成功实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，创造了托卡 马克装置高约束模式运行新的世界纪录。
国际进展： 1. 2006年，国际热核聚变实验堆（ITER）项目正式启动，由欧盟、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方共同实施， 计划在 2025年启动实验，2035年开始进行氘-氚聚变反应（已延期）。 2. 2022年12月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）基于惯性约束技术，在国家点火设施（NIF）输入2.05兆焦的能量， 产生3.15兆焦的能量，首次实现聚变能量正增益（Q~1.5）。 3. 2023年，英国欧洲联合核聚变实验装置（JET）使用0.2毫克燃料在约5秒的时间里，通过核聚变反应产生69兆焦耳的能量， 超过JET此前2021年在约5秒的时间里产生的59兆焦耳能量，创造了核聚变反应能量输出的新世界纪录。 4. 2023年12月，欧洲和日本共同建造和运营的核聚变反应堆JT-60SA正式投入运行，JT-60SA作为ITER的先行项目，是目前全 球最大的实验性核聚变反应堆。
高温超导+AI催化下核聚变商业发电有望提速
随着近年来高温超导技术的成熟、产业化获得突破，大幅降低了聚变实 验堆的成本与建设周期。 磁约束聚变主要靠磁场来约束高温等离子体，而托卡马克聚变堆单位体 积的聚变功率密度正比于磁场强度的4次方，即磁场加强1倍聚变性能可 以提高16倍。因此同等设计聚变功率下，磁场越强，所需的装置体积越 小，成本及建设难度越低。 采用高温超导磁体的SPARC/ARC体积、成本显著小于采用低温超导磁 体ITER。 ITER：工程设计结束于1998年，由于早期材料与技术水平的限制，其 采用铌三锡低温超导磁体，等离子体中心最高磁场强度只能达到5.3T。 因此，为达到500MW聚变功率、聚变增益Q=10的目标，ITER等离子体 大半径达到6.2米，整体预算高达200亿欧元。 SPARC/ARC：MIT基于二代高温超导带材REBCO，设计了聚变功率 >50MW、聚变增益Q>2的小型聚变试验堆SPARC和聚变功率>200MW、 聚变增益Q>10的聚变商业示范堆ARC。其中ARC设计磁场强度9.2T， 等离子体大半径3.3米，预计造价55亿美元；SPARC设计磁场强度12T， 等离子体大半径仅1.65米。 随着高温超导带材产业化的不断成熟，未来成本仍有下降空间。
高温超导+AI催化下核聚变商业发电有望提速
除了材料端的进步，AI模型的进步和算力的 不断发展也在推动聚变应用加快落地。 托卡马克聚变装置的难点之一就是精确控制 和约束内部的等离子体，而人工智能，特别 是强化学习，特别适合解决托卡马克中控制 等离子体的复杂问题。 2022年，DeepMind利用强化学习首次控制 核聚变，大大简化了控制系统。使用单个计 算成本低的控制器取代了嵌套控制架构，消 除了独立平衡重建的要求，缩短了控制器开 发周期，并能加速更换等离子配置验证。 2023年，改进后的算法将等离子体形状精度 提高了65%，并且将训练时间减少了3倍。
可控核聚变：资本市场融资屡创新高
随着近年来高温超导技术的成熟，大幅提升聚变装置性能的同时成本持续下降，叠加AI超预期发展对聚变装置设计和控制效率的提升，加快 了可控核聚变商业化落地的预期，资本市场融资屡创新高。 根据聚变行业协会（FIA）数据，截至2022年底，全球私营核聚变公司已积累获得48.6亿美元的投资，相比2021年增长139%，参与核聚变 研究的公司总数超过30家。而截至2023年上半年，全球私营核聚变公司积累融资额就已达62.1亿美元，新参与公司数量达13家。
海外核聚变投资热度持续提升。2021年12月，Commonwealth Fusion Systems（CFS）宣布完成B轮18亿美元融资，投资方包括 微软创始人比尔·盖茨、索罗斯、老虎环球基金和谷歌等，这也是迄今为止核聚变领域最大的一笔私人投资。CFS计划2030年后建 成商用核聚变发电厂，并实现并网运行。
国内可控核聚变投融资同样逐渐升温。能量奇点成立于2021年，是国内第一家聚变能源商业公司，2022年能量奇点完成4亿元人民 币的首轮融资，2023年4月完成近4亿元Pre-A轮融资，公司累计融资近8亿元人民币。2022年6月至今，星环聚能同样也已完成两 轮融资，融资额达数亿元。翌曦科技于2022年9月完成5000万元种子轮融资。此外，2023年5月，蔚泽晶润及其募资方和关联方、 皖能股份及皖能资本、合肥产投等共同出资成立核聚变公司聚变新能，注册资本达50亿人民币。
我国自上而下推动，持续重视核聚变产业发展
中核集团牵头成立可控核聚变创新联合体，我国聚变能源产业迎来新里程碑。2023年12月29日，由25家央企、科研院所、高校等 组成的可控核聚变创新联合体正式宣布成立，中国聚变公司（筹）举行揭牌仪式，第一批未来能源关键技术攻关任务正式发布。 国务院国资委明确可控核聚变为未来能源重要方向，国家牵头发挥举国体制优势，推进设立可控核聚变专业化公司，为我国可控 核聚变产业发展奠定坚实基础。 我国核能发展路线，分为“热堆—快堆—聚变堆”三步走。第一步，发展以压水堆为代表的热中子反应堆，即利用加压轻水慢化 后的热中子产生裂变的能量来发电的反应堆技术，利用铀资源中 0.7%的 235U，解决“百年”的核能发展问题；第二步，发展以 快堆为代表的增殖与嬗变堆，即由快中子引起裂变反应，可以利用铀资源中 99.3%的 238U，解决“千年”的核能发展问题；第三 步，发展可控聚变堆技术，希望是人类能源终极解决方案，“永远”的解决能源问题。
我国通过参与ITER弯道超车，不断完成技术突破、产业链整合
在核聚变领域，我国自20世纪90年代开始研究托卡马克，先后建成运行合肥超环(HT-7)、中国环流器二号(HL-2A)及东方超环(EAST) 等装置，2006年加入全球规模最大的国际热核聚变实验堆（ITER），负责完成了ITER装置多个重要部件的设计、制造与装配任务， 掌握了磁约束核聚变研究和技术成果，培养出一支高水平科研和工程技术人才队伍。 借助ITER项目获得的实验堆设计、建造经验，我国将力争在2025年推动中国聚变工程试验堆CFETR立项并开始装置建设，到2035年 建成、调试运行并开展物理实验，到2050年开始建设商业聚变示范电站。
国内新聚变实验堆接连落地，未来几年有望进入建设高峰期
2023年11月12日，江西联创光电超导应用有限公司和中核聚变（成都）设计研究院有限公司签订全面战略合作框架协议。双方计划各 自发挥技术优势，采用全新技术路线，联合建设聚变-裂变混合实验堆项目，技术目标Q值大于30，实现连续发电功率100MW，工程总 投资预计超过200亿元。 2023年12月，中科院等离子体所紧凑型聚变能实验装置（BEST）部分部件开始招标。未来，中科院等离子体所将持续在EAST工程和 物理实验研究、ITER部件研发和工程安装、CRAFT设施建设、BEST项目推进中取得新突破新成果。 2024年2月，能量奇点洪荒70高温超导托卡马克装置总体安装完工。洪荒70设计工作开始于2022年3月，自2022年9月起各部件、组件 陆续进入加工阶段，2023年8月启动总体安装，至此建成。2022年至今公司累计融资近8亿元人民币。
聚变实验堆：百亿成本，设备费用占比约55%
参考FIRE，建造一个Q>10的聚变实验堆成本在百亿人民币， 其中设备费用（主机、辅助系统、电力系统）占比约55%。 根据FIRE官方数据，在一个核聚变实验堆成本中，主机（包 括磁体、包层、真空室等）占比约30%，辅助系统（包括加 热系统、真空系统、气体注入系统、燃料循环系统）占比约 10%，电力系统占比约15%，场地基础设施占比约15%，其 余项目支持、装配、运维等占比约30%。
聚变实验堆：主机（磁体、包层、真空室）为核心设备
参考FIRE项目，在一个托卡马克主机成本中：磁体（包括环向、极向磁体）占比最高，约为56%；其次是面向等离子体的部件 （包层），其中偏滤器占比约11%、第一壁占比约5%、缓冲结构占比约4%；真空室容器及结构占比约14%；支持结构占比约3%。
核聚变设备空间测算：前期实验堆为主，后期商业堆接力
当前可控核聚变处于工程验证阶段，建设需求以实验堆为主。参考FIA数据，截至 2023H1全球共有43家核聚变私营企业，参考Fusion Energy Base数据，当前全球共有 29家拥有聚变装置的国家/组织机构，假设其中一半采用磁约束路径，则全球聚变实验 堆（磁约束）总需求达36座。参考FIRE，建造一个Q>10的聚变实验堆成本在百亿人民 币，其中设备费用占比约55%，则实验堆阶段全球核聚变设备累计空间达2千亿元。 未来可控核聚变进入商业验证阶段后，建设需求将以商业示范堆为主。假设各家私营企 业/政府机构由此前的聚变实验堆进一步发展为商业示范堆，需求仍为36座。参考ITER， 建造一个商业示范堆成本在千亿人民币以上，其中设备费用占比约85%，则商业堆阶段 全球核聚变设备累计空间达3万亿元。
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