2025年可控核聚变行业专题列报告：核聚变工程能力提升，未来能源发展可期

聚变基础性难点得到解决，加速核聚变走向商业化

ITER 基本解决聚变工程难点，我国技术水平提升

ITER 项目在美苏关系缓和背景下诞生：二战末期，苏联、美国和英国的科学家在互相保密的情况下 开展了受控核聚变有关工作。研究过程中，科学家发现：1）核聚变的技术、装备难度高；2）核聚变 商业应用的竞争为时尚早；3）磁约束核聚变与热核武器在科学技术上没有重大重叠。伴随着 1985 年 美苏关系缓和，美国和前苏联两国首脑倡议提出建立“强国俱乐部”，并由美、苏、欧、日共同启动， 之后项目改名为 ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor，国际热核聚变实验反应堆） 计划，目标是探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性，为实现聚变能商业应用奠定基础。 ITER 项目规划推进艰难，2007 年装置正式开建：1988 年，ITER 项目开始概念设计，由于当时的科 学和技术条件还不成熟，四方科技人员于 1996 年提出的 ITER 初步设计很不合理，要求投资上百亿 美元。1998 年，美国出于政治原因及国内纷争，宣布退出 ITER 计划。欧、日、俄三方则继续坚持 合作，并大幅度修改实验堆的设计。2001 年，欧、日、俄联合工作组完成了 ITER 装置新的工程设 计及主要部件的研制，预计建造费用为 50 亿美元（1998 年价），建造期 8 至 10 年，运行期 20 年。 中国、美国于 2003 年先后加入 ITER 计划，韩国、印度分别于 2005、2006 年加入 ITER 计划。2007 年 10 月 24 日，ITER 组织正式成立，ITER 计划进入正式实施阶段。

ITER 项目点火时间延期至 2033 年，工程难点基本解决：ITER 项目早期规划将分三阶段实施，分 别包括：第一阶段 2007-2016 年实现实验堆建设；第二阶段 2017-2037 年进行热核聚变操作实验（验 证核聚变燃料性能、材料可靠性、核聚变堆可开发性）；第三阶段，2037-2042 年实验堆拆卸。ITER 项目早期进展不顺利，其实际于 2010 年开工，且在项目建设过程中出现诸如成本超支、供货部件缺 陷等管理问题，导致项目建设不断向后延期。根据路透社以及 Science 报道，ITER 项目投资预算已 从 50 亿美元提升至 200 亿美元以上，启动等离子体实验的时间由 2025 年延后至 2033 年，全氘-氚 聚变实验节点预期将从 2035 年延后至 2039 年。虽然 ITER 项目进展受阻，但技术难点已经基本攻 克，随着 ITER 计划的启动，国际聚变界的普遍共识是：由于对 ITER 七大部件已在过去的十多年中 做了大量的研发，成功建设 ITER 已基本解决了工程上的障碍。

我国通过参与 ITER 项目，逐步积累核聚变技术：参与 ITER 项目对我国来说具备两大核心意义， 一是通过参加 ITER 项目获得 ITER 知识产权，高效提升我国聚变研究的知识水平、技术能力。ITER 综合了大型超导磁体技术、中能高流强加速器技术、连续大功率微波技术、复杂的远程控制技术、 反应堆材料、实验包层、大型低温技术、氚工艺、先进诊断技术、大型电源技术及核聚变安全等技 术，参与 ITER 项目大幅增强我国聚变知识储备；二是通过完成约定的 ITER 部件制造任务，推动我 国针对聚变反应堆材料的研究。在 ITER 项目中，我国供货部件覆盖超导材料、电源、包层、遥感技 术、加料系统 5 大领域，具体包括磁体支撑、校正场线圈系统、磁体馈线系统、包层第一壁等 18 个 采购包。霍裕平院士曾提出，我国聚变研究走到世界前沿的标志是“具有了独立的设计和建造聚变示 范堆的技术力量，和独立的聚变工业发展体系”。随着我国 BEST 项目、CFETR 项目稳步推进，我国 参与 ITER 项目的主要目标基本达成。

关键技术获得突破，加速核聚变走向商业化

核聚变产业化要求材料优化、控制能力提升：核聚变的主要难点在于：1）如何实现上亿度等离子体 点火；2）如何实现聚变反应长时间稳态运行。具体来说，需要解决等离子体加热、等离子体控制、 聚变堆材料攻关、氚自持等问题才能实现核聚变工程化。为了解决以上难点，科学家针对核聚变物 理原理、材料等方面持续研发，成功突破高温超导、第一壁等材料。

高温超导材料突破，聚变控制能力提升：2024 年 MIT 利用稀土氧化铜钡（REBCO）高温超导材料 制成的新型磁体实现 20Tesla 的大规模磁场强度的世界纪录，远高于 ITER 项目预计使用的 5.3T 磁 场强度。得益于磁场强度的提升，聚变装置对等离子体的约束能力提升，使核聚变装置的体积可有 效减少至常规水平的 1/40，大幅缩减核聚变装置体积与成本，推动核聚变能源商业化。2025 年 3 月， 我国能量奇点宣布其生产的经天磁体（高温超导磁体）首轮通流实验产生 21.7 Tesla 磁场，超越前述 MIT 记录。

金属材料替代碳成为核聚变容器首选，聚变装置耐久性提升：上世纪托卡马克装置多使用碳基材料 作为第一壁材料，但由于石墨材料存在耐热强度不足、滞留率过高、在核聚变环境中易活化等问题， 因此逐渐被金属材料替代。钼、钨、铍作为金属材料受广泛关注，ITER 确定使用钨作为偏滤器材料、 铍作为第一壁材料。我国 EAST 装置于 2014 年将偏滤器由石墨/钨单体材料替换为钨铜材料，推动 EAST 装置性能提升。虽然金属材料性能相比碳基材料显著提升，但由于钨直接接触高能中子，不可 避免氘滞留、表面起泡、熔化再结晶、强度和韧性降低、抗热冲击能力降低等问题，因此科研院所 仍在通过合金化方式提升钨基材料服役性能，同时研究液态金属第一壁可行性。

内外因共同推动我国核聚变发展，未来发展可期

内因：我国定调聚变未来能源属性，聚变落地符合科技规划

我国新能源技术已成熟，下一代能源新技术成为关注重点：我国光伏、风电等新能源发电技术基本 成熟。光伏方面，爱旭 ABC 电池效率已经达到 27.3%，ABC 组件量产效率已经达到 24.4%，远超能 源局 2025 年电池效率 24.5%目标。光伏晶硅电池理论极限效率为 29.4%，隆基绿能 HIBC 光电转换 效率达到 27.81%，已经达到晶硅电池理论效率极限的 95%；更新一代技术方面，协鑫光电已经实现 GW 级别钙钛矿产线落地，单结组件转化率达 19.04%，光因科技在 1.2m×0.6m 商用钙钛矿组件实现 20.7%光电转化效率。风电方面，我国于 2023 年投产的“海油观澜号”已经将深远海浮式风电平台拓 展至距离海岸线距离 100 公里以上、水深超过 100 米海域；制造方面，我国已实现 20MW 级海上漂 浮式风机吊装、26MW 海上风电机组下线；综上所述，我国光伏、风电技术发展现状远超 2025 年目 标。在光伏、风电等新能源技术成熟的背景下，当前是布局下一代能源技术的恰当时间点。

加强未来能源前瞻谋划部署：2023 年国务院国资委表示正在部署推进央企产业焕新行动和未来产业 启航行动，针对 15 个重点产业领域方向，推动中央企业加快布局和发展战略性新兴产业。2024 年 1 月，工信部、科技部等七部门印发《关于推动未来产业创新发展的实施意见》，明确提出“核能、核 聚变、氢能、生物质”属于未来能源，并且将发挥新型举国体制优势，引导地方结合产业基础和资源 禀赋，合理规划、精准培育和错位发展未来产业。 地方政府积极响应，核聚变产业呈现“以点带面”发展趋势：实践层面，安徽、四川、江西等地积极 支持核聚变产业落地。2024 年 11 月，人民日报发表题为《可控核聚变是未来人类能源的主力》的文 章，明确核聚变能将在人类的能源系统中占据非常大的比重。我们认为，我国对于核聚变技术的研 发布局已久，投资核聚变的技术条件已经成熟，我国核聚变具备大产业趋势。

托卡马克为我国主要技术方向：20 世纪五六十年代，各国科学家积极研究并探索多种可控核聚变技 术方案。1958 年，苏联成功建成并开始运行世界上第一台托卡马克装置 T-1，同年，我国磁约束受 控核聚变实验研究在原二机部 401 所及中国科学院物理研究所等研究单位展开。1968 年，苏联科学 家依托托卡马克装置 T-3 成功实现 1000 万度等离子体放电。中国科学院物理研究所关注到核聚变技 术突破，并于 1972 年实现 CT-6 装置正式竣工，标志着我国首台托卡马克装置的问世。1991 年，我 国引进前苏联 T-7（托卡马克）核心组件，推动我国核聚变技术提升。我国以托卡马克路线为基础先 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。我国已 经具备超过 60 年核聚变技术积累。

2011 年我国开始填补聚变装置设计空白，2020 年我国全面完成 CFETR 工程设计：我国前期核聚变 技术学习前苏联，且由于没有参与 ITER 项目设计，因此在聚变装置设计能力方面存在劣势。2011 年科技部成立 CFETR（中国聚变工程实验堆）设计组，以全面收集、整理、保存、吸收消化和利用 ITER 总体设计和总体管理的基础资料、开展我国聚变堆总体设计研究为职责。2015 年设计组完成 CFETR 概念设计，使我国具备了从核聚变堆芯到工程的完整设计能力。2017-2020 年，我国团队实 现了聚变功率超过 1GW、聚变增益超过 10 的聚变装置研究，全面完成 CFETR 工程设计。

我国核聚变理论研究已经进入复杂运行优化、涉氚运行优化等深入阶段：2017 年国家发改委、中科 院、工程院等 9 部门联合印发《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》，将“聚变堆主机关键系 统综合研究设施”（CRAFT 项目）列为“十三五”优先项目之一，2022 年聚变堆主机关键系统综合研 究设施园区交付启用，CRAFT 项目将于 2025 年底建成。2008 年以来，我国科技部针对“国家磁约束 核聚变能发展研究专项”持续投入，2017-2024 年科技部多次开展“国家磁约束核聚变能发展研究专项” 申报，持续推动我国核聚变物理知识储备、材料研发、装备制造能力同步提升。其中，2024 年科技 部拨付经费 7.75 亿元，较以往 2~4 亿元经费规模显著提升。根据科技部印发的 2024 年“国家磁约束 核聚变能发展研究专项”指南项目，以及比较以前年度申报项目，我们认为我国核聚变技术已经攻克 基本物理原理、并且已攻克部分核心部件制备，已经进入 AI+聚变复杂运行优化的深入研究阶段。

我国核聚变实际项目验证结果优秀：2009 年我国 HL-2A 装置实现稳定的高约束运行模式，使我国 成为继欧、美、日后, 国际上第 4 个在磁约束核聚变装置上实现高约束模式运行的国家。李建刚院士 曾在 2015 年提出，未来 10 年（2015-2025 年）我国核聚变的主要目标是在 EAST、HL-2A 上开展高 水平的实验研究，实现磁场稳定运行在 3.5T，等离子体电流 1.0 MA，获得 400 s 稳定、可重复的高 参数近堆芯等离子体。2021 年，科技部目标在 5 年内实现托卡马克千秒量级实验研究，EAST 项目 已在 2025 年实现该目标，我国核聚变实际项目验证结果优秀。

外因：海外聚变多技术路线领先，投资规模提升

以美国为代表的海外多国针对聚变制定国家战略：美国方面，2021 年美国国家科学院、工程院和医 学院联合发布报告《将核聚变引入美国电网》，称美国将在 2035-2040 年建造可运行的核聚变发电 厂，2028 年前开发 50 MW 级别核聚变试验发电厂模型。2024 年美国能源部发布《2024 年聚变能战 略》，提出将在 2030 年前后进行核聚变示范堆落地，2040 年前后实现核聚变商业堆落地，并计划在 2025 年发布国家聚变科技路线图。2023 年日本发布《聚变能源创新战略》，正式将聚变能源定位为 新兴产业，计划在 2050 年前后实现发电实证；2025 年 6 月日本修订《聚变能源创新战略》，并将实 现发电实证时间节点正式提前至 2035 年左右。

海外核聚变技术领先我国：20 世纪 80 年代，美国、前苏联、欧盟、日本分别建成 TFTR、T-15、JET、 JT-60 大型托卡马克装置，且成功产生等离子体。1984 年，中国环流器一号（HL-1）建成运行，HL1 工程验收目标：等离子体电流 5 万安培、等离子体能量约束时间 0.04 秒；同期，日本 JT-60 实现 等离子体电流 15 万安培、等离子体能量约束时间 0.08 秒。20 世纪 80 年代，我国核聚变距离海外先 进水平存在差距。1991-1992 年，西物院在引进苏联 T-7 的条件下，在 HL-1 上成功完成国际前沿课 题研究，使我国可控核聚变研究达到 20 世纪 80 年代国际水平。

欧美已于上世纪开展氘氚实验，我国缺乏相关经验：20 世纪 90 年代，TFTR 和 JET 成功开展氘氚实 验，聚变输出功率分别超过 16MW 和 10 MW，JET 聚变增益 Q 值达到 0.65；1998 年日本 JT-60U 实 现聚变增益因子 Q 等效值超过 1.25。美欧日早在上世纪已经实践证明了托卡马克氘氚聚变的原理可 行性，但我国至今缺乏堆芯级氘氚等离子体实验运行经验。

核聚变已经具备工程可行性，美国或于 2030 年前后实现商业发电：美国核聚变商业化速度相对较 快，2023 年 5 月，微软宣布将于 2028 年向美国核聚变公司 Helion Energy 购买电力；2025 年 6 月， 美国 CFS 宣布与谷歌建立战略合作伙伴关系，并签署 200MW 商业化供电协议，电厂预计将于 2030 年投运。综上所述，当前科研工作者针对等离子体控制的优化、聚变堆材料的升级仍在推进，以 ITER 项目为基础，核聚变已经跨越工程难点，商业化曙光逐步趋近。

我国目前主要关注托卡马克路线，海外多技术路线并举：如上文所述，我国核聚变研究受前苏联影 响颇深，因此我国当前聚变大型项目主要为托卡马克路线。但以美国为代表的海外国家针对核聚变 的研究历史更为深厚，在直线型装置、Z 箍缩等技术路线方面均有成熟厂商布局，截至 2024 年末美 国已有 25 家核聚变公司。我国亦有瀚海聚能、星能玄光、西南交通大学等公司及科研单位进行直线 型、仿星器等技术路线布局，但总体数量较少。

实验项目加速部署+“十五五”期间示范项目落地，聚变未来可期

2030 年是我国聚变实验项目取得突破的关键节点，2-3 年内实验项目加速落地可能性提升：我国可 见的大型核聚变实验堆项目主要包括 BEST、星火一号、先觉聚能、环流三号改造等项目，上述项目 基本目标在 2030 年前建成点火，且目标 Q 值基本大于 1，2030 年前我国核聚变技术有望实现 Q>1 的关键突破。为了支撑该目标，重点项目的投资规模、投资速度均存在加速落地可能性。

聚变产业发展具备超预期空间：核聚变装置产业化路径分为“实验堆、工程堆、商业堆”三步，我国 聚变产业正加速从实验堆到工程堆迈进。BEST 装置已于 2025 年 5 月开启总装，较原计划提前 2 个 月，虽然 BEST（紧凑型聚变能实验装置）冠名“实验装置”，但其将首次演示聚变能发电，已经具备 一定工程堆属性。根据人民网报道，我国将在 2035 年建成中国聚变工程试验堆，并有望在 2050 年 前实现聚变商业发电。我们认为，随着 2025 年 CRAFT 项目建成投产，我国超导磁体、偏滤器等聚 变核心零部件研发、制造能力将进一步增强，我国核聚变产业化进度具备超预期空间。

聚变产业发展早期，核心部件均存在投资机会

聚变产业正处于“从 0 到 1”阶段，看好具备渠道壁垒、技术壁垒的公司脱颖而出：我国核聚变项目 正处于从“实验堆”到“工程堆”的发展阶段，更类似“从 0 到 1”。核聚变技术复杂，制造厂商需要紧密 配合下游运营商进行迭代，我们认为，能够早期进入供应商名单的厂商具备强卡位优势，核聚变产 业强调渠道壁垒、技术壁垒。 磁体、第一壁、电源等是托卡马克核心部件：据 Dehong Chen 等对 CFETR 的成本进行的测算，若采 用全超导托卡马克的方案，建造一个 200MW 的聚变电站，基于 2009 年的数据，其总成本达到 34.6 亿美元，其中聚变堆核心设备的成本占比为 45.7%。在核聚变堆的核心设备中，对等离子体起约束 作用的超导磁体为最主要的部件，环向磁场、极向磁场和欧姆加热线圈合计成本占聚变堆的 38.9%， 占聚变电厂的 17.8%，其他成本占比较高的部件还包括第一壁和包层、隔热层、真空室、电源等。

编辑：火腿肠