2026年环保及公用事业行业可控核聚变系列报告（一）：未来能源，聚变已至

可控核聚变由实验室迈向工程化，多种技术路线并行

1.1.可控核聚变被视为人类能源终极解决方案之一

核聚变是两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核(或粒子)的一种核反 应形式。合并时，部分质量丧失转换为能量（质能方程 E=mc²），从而释放巨大能量。可控核 聚变是可控的并且能够持续进行的核聚变反应，在地球上建造的像太阳那样进行可控核反应 的装置，被称为“人造太阳”。 聚变能具有资源无限性、能量密度大、高安全性和清洁性特点。（1）资源无限性：燃料 氘可直接从海水中提取，全球海水中氘的储量超过 40 万亿吨，氚则可以利用聚变产生的中 子与天然锂反应产生；（2）能量密度大：1g 氘-氚产生的核聚变能量相当于 8 吨汽油，1g 铀 235 产生的核裂变能量相当于 1.8 吨汽油；（3）高安全性：等离子体约束破裂时反应自动终 止，不存在爆炸或堆芯熔毁的风险；（4）清洁性:运行过程中产生的放射性废物极少，且半衰 期短。这些特性使得核聚变能被视为人类的终极能源。

1.2.聚变点火需满足劳森判据，能量平衡是核聚变能否商用的重要指标

劳逊判据是评估核聚变反应堆能量平衡所需条件的理论标准。该理论基于一个理想化的 脉冲聚变反应堆模型，探讨了如何实现能量的平衡。在理想状态下，聚变反应堆中的等离子 体通过聚变反应产生的能量，以一定的效率转化为电能。这些电能再被用于补充等离子体的 能量损失，包括轫致辐射损失、热传导损失以及由于粒子逃逸造成的能量损失。只有当补充 给等离子体的能量足以补偿其损失时，聚变反应才能持续进行。劳森判据涉及三个主要的参 数的三重乘积：等离子体的密度（粒子数每立方米），温度（以开尔文计）和能量约束时间（以 秒计）的乘积。根据劳逊判据：当产生速率高于损失速率时，系统将产生净能量。如果足够 的能量被燃料捕获，系统将能够自我维持。能量平衡的标准通常被称为 Q。

在评估核聚变反应堆时，能量平衡、氚自持、可利用率、耐辐照能力 4 个指标最为关键， 可用于各种聚变堆的技术性能差异比较。QSci=1 代表着聚变放能和输入能量相等是能量“得失 相当”条件，即聚变存在科学可行性； QEng=1 代表着出入电能和输出电能一致，即聚变工程存 在可行性。基于以上四个指标，聚变能源发展可以总结为需要跨越 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。近年来，各种聚变技术路线均取得显著进步，但面向能源应用的聚 变技术路径尚未获得闭环验证，相应开发工作面临着多重挑战。

1.3.磁约束和惯性约束是主流聚变技术路径

从约束方式看，目前实现核聚变的技术路径主要分为以下几类：（1）磁约束聚变，即利 用强大的超导磁场将高温等离子体约束在环形装置中，包括中国的“东方超环”EAST 装置、 BEST 装置、中国环流三号(HL-3)、新奥玄龙-50U 等，美国的 SPARC 项目，欧洲的 ITER（国 际热核聚变实验堆）等；（2）惯性约束聚变，通过高能激光瞬间轰击燃料靶丸引发聚变，美 国国家点火装置（NIF）是典型代表；（3）磁-惯性约束聚变，结合磁场和惯性双重约束机制， 典型如磁化靶聚变和脉冲磁约束等。这类方案在燃料被快速压缩前先施加磁场预先约束或加 热，以降低能量损失、提高效率。（4）箍缩聚变，通过强电流在等离子体内自生磁场实现瞬 时压缩，如 Z 箍缩（Z-pinch）方式。此外还有一些较前沿或特殊的聚变机制，如 μ 子催化聚 变、致密等离子体聚焦、静电惯性约束等。

磁约束聚变：托卡马克是主流路径，ITER 完成多项工程化攻关

磁约束路线通过加热聚变燃料至极高的温度，使燃料完全电离形成等离子体，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，并在此过程中释放出能量。增强磁场可 以大幅度地减小带电粒子横越磁力线的扩散和导热特性，使处于磁场中的高温等离子体与反 应容器的壁面隔开，从而保护壁面不受高温侵袭。是利用强大的超导磁场将高温等离子体约 束在环形装置中，磁约束被认为是目前最有希望实现大规模受控核聚变反应的一种约束方式。

2.1.托卡马克磁约束是最有希望实现可控核聚变的途径

根据磁场位形的不同，磁约束聚变装置有托卡马克、仿星器、磁镜、球形环、紧凑环等 多种类型，磁约束核聚变研究 70 年的历史表明，基于托卡马克装置的磁约束核聚变是目前 最有希望实现聚变能和平利用的途径。 托卡马克是苏联科学家于 20 世纪 50 年代提出的一种磁约束核聚变装置，其名字由俄文 中环形、真空室、磁、线圈四个词的前几个字母组成，也代表了托卡马克装置的核心组成部 分。托卡马克通过在环形真空室中构造出一个闭合的螺旋磁场，完成对高温等离子体的约束， 聚变燃料在周而复始的运动中完成核聚变反应。在托卡马克环形真空室周围，分布着若干个 环向场(纵场)线圈、中心螺管(欧姆加热)线圈、极向场线圈等几类磁体，等离子体运行中磁 体通入电流产生磁场，以激发和控制等离子体。

国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER） 是目前世界上规模仅次于国际空间站的科学工程，也是目前在建的世界上最大的实验性托卡 马克核聚变反应堆。ITER 的计划分为三阶段： 第一阶段:建设一个能产生 50 万千瓦核聚变功率(能量增益因子 Q=10)、重脉冲大于 500 秒氘-氚燃烧的托卡马克型核聚变实验堆； 第二阶段:探索实现具有持续(3000 秒，Q>5)、稳定、高约束、高性能燃烧等离子体； 第三阶段:将优化燃烧等离子体至完全非感应运行模式，实现 Q=3-5 的稳态运行。 根据 ITER 最新的项目时间表，项目计划 2034 年实现初步研究运行，2036 年实现全磁能 运行，2039 年开始氘氚实验（较原计划推迟 4 年）。

磁体系统和容器内部件占 ITER 成本比重超 40%。从 ITER 项目成本划分看，磁体系统、 容器内部件、建筑分别占总成本的 28%、17%、14%。此外，真空室、电源、辅助系统、加热及 电流驱动分别占总成本的 8%，8%，7%，7%。根据 DEMO 核聚变发电厂的成本估算，工厂总体 成本预计将增至 40%，而制冷系统、容器内部件、磁体系统的成本分别占比 16%、15%、12%。

2.2.从 ITER 看托卡马克装置核心构成

2.2.1.超导磁体系统：价值量最高的环节

托卡马克磁体系统是其实现等离子体磁约束的核心部件，磁体系统的线圈类型主要有环 向磁场线圈(toroidal field coil，TF 线圈)；极向磁场线圈(poloidal field coil，PF 线 圈)；中心螺管线圈(central solenoid coil, CS 线圈)、辅助性线圈等，磁体系统的各类线 圈通过协同工作产生特定形态的磁场，共同维持等离子体的稳定运行。 ITER 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。我国承担 69%的 NbTi 超导线和 7%的 Nb3Sn 超导线生产任务。 托卡马克装置中采用超导磁体是突破常规导体限制、实现高强度磁场和高能量约束效率 的关键技术路径。ITER 要把由氘、氚组成的上亿度高温等离子体约束在一个有限的空间里， 产生 50 万千瓦的聚变功率，持续时间达 500 秒，需要采用超导材料产生的强磁场对高温等 离子体进行约束以使其避免与容器壁接触，从而实现聚变反应。与常规导体的线圈相比，超 导线圈在超导态下直流电阻为零，可承载极高的电流密度而几乎不产生焦耳热，可以解决为 维持强磁场而持续增大电流产生的焦耳热损耗问题。 超导材料经历了从低温超导（NbTi 和 Nb₃Sn 为代表的材料体系）到高温超导（以 REBCO(稀 土钡铜氧)和 BSCCO(铋锶钙铜氧)为代表的材料）的演变过程。从产业链看，超导磁体系统上 游为超导原材料（低温超导原材料主要为钛矿、铌矿和锡矿，高温超导原材料主要为钇钡矿、 镁矿等），中游为超导带材和超导磁体集成商；从产业趋势看，当前低温超导占主导地位（约 78%），而高温超导材料由于较高的临界温度（制冷成本低）、以及在承载电流和抵抗磁场方面 良好的性能正逐渐取代低温超导材料，并使得建造更紧凑、更强磁场、更高效率的托卡马克 成为可能。

低温超导市场集中度高，头部企业已建立较高壁垒，高温超导“三足鼎立”。低温超导由 于技术成熟，应用广泛，国内市场格局较为清晰，在可控核聚变领域，西部超导是唯一国家 队企业，ITER 项目中 NbTi 超导线和 Nb3Sn 超导线全部由西部超导提供，国内 CRAFT、EAST、 BEST 等装置磁体材料也几乎由西部超导提供。高温超导国内主要参与者有上海超导、联创超 导（联创光电子公司）和东部超导（永鼎股份子公司），其中上海超导产品已进入到全球可控 核聚变龙头企业供应链，也是国内多个核聚变项目的核心供应商，是少数具备年产千公里级 以上第二代高温超导带材能力的企业。

2.2.2.真空室：对工程化要求极高

真空室作为托卡马克装置的核心部件之一，是一个密封的双层钢制容器，是聚变堆的第 一安全防护屏障，确保等离子体在腔室中实现连续旋转并不接触侧壁，为等离子体提供稳态 运行环境，免受大气组分干扰。 托卡马克装置中，真空室体积越大，就越容易约束等离子体并实现产生显著聚变功率所 需的高能状态。ITER 真空室内部容积达 1400 立方米，为聚变物理学家提供了一个独一无二 的实验平台：其内部中心区域容纳的等离子体体积（840 立方米）是目前全球最大在运的托 卡马克装置的六倍。ITER 真空室外径 19.4 米，高 11.4 米，重约 5200 吨。（安装包层和偏滤 器后，真空室总重将达到 8500 吨）。

高密度焊缝与紧凑结构并存的特点，真空室的设计制造面临着设计风险系数高、成型精 度低、磁导率难控制等难题。在聚变时，燃烧的等离子体要被约束在真空室内，真空室是等 离子体直接运行的场所，因此真空室不仅要为真空室内部构件提供必要的支撑，在正常运行 及非正常运行期间，还要承受自身和内部构件的重力、压力以及各种电磁力。根据合锻智能 公司公告，由于运输限制以及为实现模块化制造，ITER 真空室被均分为 9 个 40°的扇区 (Sectors)，各扇区制造完成后运输至 ITER 总装现场装配成 360°环，每一个 Sector 的总高 和总宽尺寸公差要求控制在±20mm 以内。1/9 真空室扇区设计包含 184 个 Housing 和长达 160m 的加强筋板，外壳分割多达 60 块，材料利用率仅 30%，焊缝总长达 1000m，平均焊缝密 度 10m/m2，远超普通真空容器。且聚变装置的结构紧凑性要求真空室(运行温度约 100°C)、 冷屏(约 193°C)与磁体(约 269°C)之间的设计间距必须控制在 50mm 以内。但在热胀冷缩效 应的影响下，这三者之间的微小间隙可能会面临碰撞风险，因此对制造精度提出了极高要求。

编辑：火腿肠