2025年新材料产业深度报告：核聚变临界点已至，关键部件与材料迎战略机遇——新材料产业框架之五

核聚变：未来终极能源渐行渐近

核聚变是未来能源终极方案

核聚变反应是轻原子核结合成较重原子核并释放能量的过程。与核裂变能相比，核聚变能具有能量密度高、绿色环保、燃料充足、安全性高等优势，是人类未来理想终极能源的首要选择。

实现核聚变反应，需要同时满足三个条件：足够高的温度（T）、一定的密度（n）和一定的能量约束时间（τE），三者的乘积称为聚变三乘积。根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值（5×102 1m−3 ·s·keV）能产生有效的聚变功率输出。

氘氚反应有望最早实现可控核聚变

轻原子核在一定条件下发生聚合反应，并在反应过程中损失一部分质量，损失的质量将以能量的形式释放出来，氘氚反应由于碰撞截面较大而被认为是有望最早实现的受控热核聚变反应。

氘氚核聚变反应原理：氘氚反应（2D+3T→4He+n）生成14.1MeV的中子和3.5MeV的α粒子，中子与锂反应（n+6 Li→4He+3T）生成氚和氦，反应过程需要补充的是2D和6 Li， 3T可循环使用，仅在“点火”时需要参与初始反应的3T。聚变反应产生的中子能量被包层吸收，使包层温度升高，升温的能量用于加热工质并推动汽轮机发电。

高温等离子体的约束方式

对高温等离子体的有效约束是持续输出能量的关键。在核聚变反应亿度高温下，物质以高温等离子体形态存在，需要进行约束以实现持续输出反应能量，约束方式有引力约束、惯性约束和磁约束。其中，引力约束依靠强大的万有引力来提供对聚变燃料的约束力，如太阳发光发热，人类现阶段尚无法实现。

惯性约束：采用高能量的激光或粒子束将燃料加热和压缩为等离子体，在自身惯性作用下，等离子体在极短的时间内来不及向四周飞散，被压缩至高温、高密度的物理状态从而发生核聚变反应，主要用于军事相关研究。

磁约束：采用特殊结构的磁场形式把燃料离子和大量自由电子组成的处于热核反应状态的高温等离子体约束在有限的体积内，使之受到控制地发生核聚变反应。磁约束核聚变是最有可能率先实现聚变能源利用的方式。

高温等离子体的约束方式——磁约束

目前磁约束方案装置类型主要有场反、偶极、磁镜、仿星器和托卡马克等。

磁镜是一种开放式约束系统，整体形状呈圆柱形，两端通过额外线圈提高磁场强度，目前在粒子约束上并未取得显著成效，关于磁镜的改进工作仍在推进。

仿星器于1958年提出，由极向场与环向场叠加形成一个完全包含在环形约束室中的螺旋磁场，实现对内部带电粒子的运动约束。仿星器的复杂线圈结构对加工精度有极高要求，是制约其发展的重要因素。

托卡马克由前苏联科学家阿齐莫维齐等人于20世纪50年代提出，同样由一系列环向场线圈周向排列而成，用于生成闭合的环向约束磁场。托卡马克是当下研究最为广泛、也是未来最有可能实现可控核聚变的聚变装置。

核聚变能源开发里程碑节点与关键技术

据《聚变能源研究态势及展望》（彭先觉等）数据，核聚变能源发展需要跨越4个里程碑节点：节点1为当前的领域最优水平，节点2为ITER水平，节点3为聚变商业示范堆（DEMO）水平，节点4为第一代商业堆水平。当前，面向能源应用的聚变技术面临多重挑战。

能量平衡。对于磁约束聚变，实现QEn g =1的目标需要QSc i=7，有望在ITER上实现；如果进一步考虑发电演示，磁约束聚变要达到稳态运行且至少QEn g =5，这是具备商业开发可行性的门槛。

氚自持。在聚变功率为1000MW的反应堆中，氚的消耗量约为55.5kg/a，而世界上现存的氚总量不足30kg。聚变堆必须要实现氚自持，即自身生产的氚能够补充消耗的氚。

高可利用率。聚变堆包含多个物理特性差异显著的子系统，复杂度远超裂变堆，可利用率达到50%仅相当于第一代裂变堆的水平，而当前的裂变堆可用率高达90%。

耐中子辐照材料。聚变会产生高能中子，对材料耐中子辐照要求高，不锈钢材料的中子辐照理论极限仅为50dpa。

资本助力技术加速突破，全球抢发第一度电

国际热核聚变实验堆ITER项目

国际热核聚变实验堆（ITER）是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一，其目的是通过建造反应堆级核聚变装置，验证和平利用核聚变发电的科学和工程技术可行性，由中国、欧盟、俄罗斯、美国、日本、韩国和印度等七方30多个国家共同合作，中国于2006年正式加入ITER计划。

按照ITER计划的初期测算，电功率为100万kW的聚变堆，建造成本至少为150亿美元。据《Superconductorsfor fusion a roadmap》（Neil Mitchell等）数据，其中磁体系统、堆内构件、真空室等核心部件成本占比分别为28%、17%、8%，按照建造成本1000亿人民币计算，上述三个核心部件合计价值量达530亿人民币。

中国承担的18个ITER采购包涵盖关键部件制造

据ITER，除东道主欧盟占比较高（46%）外，每成员方的实物贡献值均约占总值的9%左右。我国于2008年6月签署了第一个ITER计划采购安排协议，其后陆续签署了涉及ITER导体、电源、支撑、诊断、包层等多个系统的共18个采购安排协议，涵盖了ITER装置几乎所有关键部件的制造任务。

国内聚变如火如荼，我国步入国际第一方阵

热堆-快堆-聚变堆是我国核能“三步走”发展战略，其中，聚变堆是核能发展的最终目标。热堆是核裂变技术的成熟应用，是当前核能发电的主要形式；快堆采用快中子反应，能够实现核燃料的增殖，提高资源利用效率；聚变堆是核能发展的最终目标，是最终解决人类能源问题的根本途径之一。

聚变技术快速发展，我国步入国际第一方阵。2006年，世界第一个全超导托卡马克装置EAST建成；2020年，国内规模最大、参数能力最强的新一代“人造太阳”中国环流三号（HL-3）首次放电成功；紧凑型聚变能实验装置（BEST）预计2027年建成。

环流三号：聚变三乘积实现突破，中国聚变挺进燃烧实验

环流三号由核工业西南物理研究院自主设计建造，于2020年建成并实现首次等离子体放电。其大半径为1.78m，小半径为0.65m，最大磁场为3T，最大等离子体电流为3MA，环径比为2.8。该装置规划辅助加热和电流驱动总功率超过40MW，包括中性束、电子回旋波、低杂波以及离子回旋波等4种加热和电流驱动系统。

定位及目标：为ITER及未来聚变堆的关键科学和技术问题的解决提供研究平台与支撑。重点开展了ITER相关运行模式研究、高性能等离子体运行及相关物理（高密度、高比压、高自举电流）研究、先进偏滤器概念设计与验证、高热负荷材料与部件测试以及聚变等离子体关键物理研究。

EAST：实现亿度千秒高约束模运行，迈向工程实践重大拐点

EAST是由中国科学院合肥物质研究院等离子体物理研究所设计研制的全球首个全超导托卡马克装置，其大半径为1.9m，小半径为0.45m，最大等离子体电流为1.0MA，环向磁场BT≤3.5T。2006年，EAST建成并实现首次放电；2025年1月，完成1亿摄氏度1066秒长脉冲高约束模等离子体运行，是聚变研究从基础科学研究迈向工程实践的重大拐点。

定位及目标：为实验堆设计与建设提供科学依据，并为ITER项目的建设提供直接经验。主要研究方向包括托卡马克稳态运行的实时控制与安全操作对策，及相关辅助加热物理、等离子体约束与输运特性研究等。

关键部件拆解：磁体系统、偏滤器、包层系统

核聚变装置关键部件——超导磁体系统

聚变磁体从铜基到低温超导、高温超导不断技术演变。磁体系统是磁约束聚变装置的核心元件，由于超导体具有零电阻效应，能够有效改善长脉冲稳态运行，20世纪后期开始被用于托卡马克装置，未来聚变堆要向着稳态核聚变能源方向发展，全超导托卡马克是稳态运行的基础。

ITER建造成本中，磁体系统占比最高（28%），共有超导大型磁体48个，具体包括：18个纵场线圈（TF）、6个极向场线圈（PF）、6个中心螺管线圈组成的中心螺管（CS）和18个校正场线圈（CC），其中TF和PF采用Nb3Sn超导线，CS和CC采用NbTi超导线。

全球超导材料市场规模2033年将达到45亿美元

据IMARC Group测算，2024年全球超导材料市场规模为14亿美元，亚太地区市场规模占比超过41%。IMARCGroup预计2033年全球超导材料市场规模将达到45亿美元，2025至2033年的年均复合增长率为13.7%，主要受益于医学成像、量子计算、粒子加速器和可再生能源等领域需求扩张。

按照产品划分，低温超导材料（LTS）在市场中居主导地位，2024年市场份额占比为83%；按照应用领域划分，医疗、电子、能源为2024年超导材料前三大应用领域。

核聚变装置关键部件——偏滤器

偏滤器（Divertor）作用：排出来自聚变等离子体的能流和粒子流；屏蔽来自器壁的杂质，减少对芯部等离子体的污染；排出核聚变反应过程中的氦灰等产物，并提取有用的热量用于发电。

服役环境严苛：直接与等离子体相互作用，承受来自等离子体的强粒子流和高热流的冲击。

按材料体系分为钨偏滤器和碳基偏滤器：相比碳基材料（石墨、CFC），钨具有耐高温、溅射率低、低氢滞留率、导热系数高和强度高等优点。ITER在2013年之前采用石墨盒体式偏滤器，之后采用全钨偏滤器设计。

包层屏蔽模块：RAFM钢、ODS钢是未来候选材料

包层屏蔽模块为真空室以及其他外部部件提供中子防护功能，同时也是第一壁的支撑。通过布局复杂的冷却通道，采用强制对流冷却方式，带出沉积在内部的核热，为真空室内部温度极高的等离子体区和外部极冷的超导体区提供有效的热绝缘。

ITER：采用316L(N)-IG不锈钢作为结构材料，高压（4MPa）水作为冷却剂，不同位置屏蔽块的几何尺寸有所差异，且每个屏蔽块根据中子核热的大小不同，设计了不同的冷却通道。

CFETR：屏蔽模块在结构上位于增殖包层和真空室之间，根据《中国磁约束聚变堆材料发展路线图》，候选包层结构材料包括RAFM钢、ODS钢、钒合金、碳化硅复合材料。

报告节选：

编辑：火腿肠