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行业研究 | 可控核聚变产业研究

发布日期：

2024-11-08

序言

可控核聚变在许多投资者眼中，曾经是一个遥不可及的赛道。过去，很多人的第一反应就是：“可控核聚变，喊了几十年了，到现在也没能喊出个什么来。”然而，近些年来，随着技术的不断成熟，这一领域正悄然发生着变化。各种技术路径得到了深入探索，越来越多的聚变公司成功完成了装置实验，并通过这些实验装置释放的能量，证明了可控核聚变的可行性。如今，全球领域可控核聚变技术突破和商业投资加速，将为相关产业链带来重大机遇。

2.技术概要

2.1核聚变的原理

核聚变是两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程，反应发生在一种等离子体的物质状态中，等离子体是一种由正离子和自由移动的电子组成的高温带电气体�？煽睾司郾渲傅氖窃谌宋刂葡率迪趾司郾浞从�，从而安全、有效地利用其释放的巨大能量。其原理具体为轻原子核（如氢的同位素氘和氚）在高温高压下结合形成较重的原子核（如氦），并释放出大量能量的过程。

其反应方程为：

D+T→He+n+能量

D代表氘，T代表氚，He代表氦，n代表中子。氘是氢的同位素，具有一个质子和一个中子，在自然界中较为丰富，通常从海水中提��；氚是氢的另一种同位素，同样具有一个质子和两个中子，但自然界中相对稀少，需要通过中子与锂反应来生产。

理论上，仅需几克的氘和氚参与反应，就可以释放出相当于一太焦耳的能量，足够满足一个发达国家普通人60年的能源需求。聚变能具有燃料丰富、清洁环保、高安全性和高能量密度等显著优势，被视为能源领域的终极解决方案，其对环境的影响微乎其微。以极低的物质投入，便可产生极为强大的能量输出。如果这项技术能够实现，它将为人类社会带来翻天覆地的变革。

2.2核聚变的发生过程

1)第一步：混合气体作为反应物被加热至等离子态——温度需达到10万摄氏度以上，以使电子能够摆脱原子核的束缚，远离核外。在如此高温的环境中，原子核得以完全裸露，从而实现直接接触的碰撞;

2)第二步：需要克服库仑排斥力。原子核由质子和中子构成，它们通过核力结合在一起，同时对外来的粒子施加强烈的斥力。因此，必须进一步提高温度，使原子核达到上亿摄氏度的更高水平。此时，原子核以极高的速度碰撞，释放出巨大的能量。

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图表 1：核聚变发生过程

2.3三要素是温度，密度和约束时间

相比核裂变的链式反应，核聚变需要满足的外部条件十分苛刻：

1)达到足够高的温度：需要施加约1亿℃的高温，以将两个原子核转变为等离子体，这一温度是太阳核心温度的10倍，给反应容器的耐受温度带来了极大的挑战；

2)达到一定的密度：这样可以提高两个原子核发生碰撞的概率；3)达到一定的能量约束时间：等离子体需在有限空间内被约束足够长时间，以实现净功率增益，即产生的聚变功率与加热等离子体所需功率的比率。

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2.4通过Q值衡量核聚变反应效率以及可行性

Q值表示反应生成的核聚变能量与维持反应所需输入能量的比值。Q值的表达式为：

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其中，???????表示由聚变反应产生的功率。??????表示维持等离子体和核聚变条件所需的输入功率。Q值越高，反应越有效率。

·Q<1表示系统消耗的能量多于产生的能量;

·Q=1表示输出能量等于输入能量;

·Q>1表示反应输出能量多于输入能量。

ITER的目标是实现Q值至少为10，即50兆瓦的普通输入能量需产生500兆瓦的核聚变能量。

2.5托卡马克技术是目前主要路径

2.5.1离子体约束路线

在核聚变的极高温环境中，气体分子被完全电离，物质以高温等离子体（完全电离的气体）的形式存在。为了持续输出反应能量，有效约束等离子体是核聚变的关键。目前，人工约束方法主要有惯性约束和磁约束。磁约束通过强磁场将高温等离子体限制在特定区域，常见的装置包括托卡马克和仿星器。而惯性约束则利用强激光或粒子束在极短的时间内压缩燃料小球，使其发生聚变反应。

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图表 2：三种等离子提约束技术路线

2.5.2核心在于约束等离子体，使其运动不偏移

托卡马克装置主要由极向场线圈、环向场线圈和欧姆加热线圈组成（见图3）。这种设计的原因在于洛伦兹力能够有效约束等离子体，但其作用仅对垂直于磁力线运动的等离子体有效。因此，为了防止那些不垂直于磁力线运动的等离子体向外扩散，托卡马克采用了环状设计，将等离子体围绕在中心。为了均匀内外磁场的强度，避免等离子体向外漂移，还需在托卡马克的中央增加一个欧姆加热线圈，以使等离子体沿环形产生电流。该电流产生的磁场与环向场线圈的磁场共同形成磁力线，将等离子体扭成“麻花状”。在托卡马克上方增加的极向场线圈则会产生额外的磁场，以控制等离子体的截面形状和位置平衡。

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图表 3：托卡马克装置示意图

2.5.3常规导体托卡马克向超导发展是主流趋势

托卡马克的能量输出功率主要受到电流、纵场、大半径和加热功率等参数的影响。其中，大半径会影响等离子体电流的强度（进而影响温度），而小半径与电流强度共同决定等离子体密度的极限。同时，磁场强度则决定了等离子体的约束时间。因此，在没有超导材料或其他技术支持的情况下，托卡马克越大（大半径和小半径增大），其等离子体约束能力和净能量输出能力就越强。然而，规模的扩大也会导致经济成本和时间成本的增加。超导材料的应用有助于打破这一“越建越大”的困境。

普通超导金属材料能够提升在一定等离子体电流下的磁场强度，而高温超导材料则进一步提高了在相同电流下所能承受的最高磁场强度。从图表4可以看出，尽管采用超导设计的EAST和KSTAR的大半径和小半径不及DIII-D和JT-60SA，但其磁场强度却达到了3.5T。

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图表 4：国际项目半径与磁场强度关系对比

此外，超导材料有助于实现长时间的稳态运行。常规导体托卡马克使用铜线圈来产生磁场，虽然这些线圈的电流可以快速变化，但它们的缺点在于大电流通过时容易产生热量。在核聚变装置中，为了产生足够强的磁场，线圈需要承受高电流，过热问题会严重限制托卡马克的长时间运行。超导材料是一种在特定温度条件下电阻降为零的材料，超导托卡马克利用超导线圈产生磁场进行磁约束，从而实现长时间的稳态运行。

2.5.4仿星器是托卡马克的改型，增强稳定性但商用难度大

仿星器是一种更为复杂的磁约束装置，与托卡马克相比，它不依赖等离子体中的电流来维持磁场，而是完全依靠外部磁线圈生成复杂的三维磁场结构。这种设计可以降低因等离子体电流引发的不稳定性，但其结构和制造工艺相对复杂。

文德尔施泰因7-X是全球最大的仿星器，能够实现超过30分钟的连续放电。其设计目的在于测试仿星器在长时间运行中的稳定性与效率。该设备采用复杂的三维磁场结构，能有效约束高温等离子体，减少能量损失和不稳定性。然而，这种复杂的磁场线圈占据了仿星器的大部分体积，使得能够用于聚变反应的等离子体空间显得既细又扁。这意味着仿星器的聚变堆功率密度较低，同时单位发电功率的建设成本较高，经济性因此受到质疑。

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图表 5：托卡马克（左）与仿星器（右）对比

2.6惯性约束技术是另一种潜力技术，但目前渗透率较低

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惯性约束技术通过从多个方向同时照射微小的聚变燃料球（通常是氘和氚的混合物）来实现，其使用多束激光或粒子束瞬时注入大量能量，使燃料达到极高的温度和压力，导致剧烈的压缩。由于粒子的惯性效应，它们将在极短的时间内继续被压缩，从而为核聚变反应创造条件。该方法通过控制多次瞬间发生的小规模核聚变反应，最终实现整体的核聚变能量输出。

目前，这项技术的主要难点在于在点火瞬间迅速达到高温，同时燃料球必须具备足够的密度，以维持足够长的反应时间。因此，尽管惯性约束技术具有小型化的优势，并且在点火和熄火的控制性能上表现较好，适合未来在飞行器等领域的应用，但其仍需依赖激光点火，且对能量的需求非常高。目前，国际上具有代表性的项目包括美国的NIF、欧洲的HiPER项目，以及我国的神光计划等。

3. 产业发展现状

全球核聚变产业正处于快速发展的阶段，随着公司数量的激增和融资金额的持续上升，聚变能技术正受到国际社会的广泛关注。在过去十年中，全球聚变公司的数量增长了四倍，吸引了众多专业人士的参与和关注。从融资的角度来看，2023年全球聚变公司的累计融资总额已超过62亿美元，较2022年增加了14亿美元，增幅达到27%。这一现象充分反映了投资者对核聚变商业化前景的强烈信心。随着越来越多企业成功开展更为先进的可控核聚变实验，展示出更大的商业化潜力，融资总额有望实现指数级增长。毕竟，一旦核聚变技术成功，带来的潜在收益将是巨大的。而能源作为社会发展的必要条件，显然备受关注。

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图表 7：全球可控核聚变公司数量变化

可控核聚变的成功不仅将带来巨大的商业价值，还会对社会和环境产生深远的影响。核聚变研究最初由政府主导，例如美国国家实验室和欧洲的国际热核聚变实验堆（ITER）等项目，获得了国家或跨国组织的大量资金支持。政府在基础设施、实验设备和科研人员方面的投入，一直是推动核聚变发展的重要动力。

根据这一设定，政府的投资通�；嵩对冻饺俗时�。然而，在2023年的62亿美元融资中，政府投资仅占2亿美元，其余的59亿美元则来自私人投资者。这一比例显示出，可控核聚变已初步证明其商业化的可行性，吸引了大量私人资本。许多私人投资者对该技术带来的潜在收益充满信心，表明商业化未来的可能。

3.1核聚变产业链

产业链的上游主要集中在设备原材料和核反应原料的供应，包括有色金属、特种钢材及特种气体等原材料。中游环节则是整个产业链的核心，涉及核聚变技术的研发以及设备的生产制造。核心设备包括反应器内的第一壁、偏滤器和高温超导磁体等关键组件。下游则主要关注应用环节，包括发电等实际应用。

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图表 8：核聚变产业链

3.2海外核聚变最新进展

图表 9：海外核聚变项目

3.3中国核聚变最新发展

我国已确定磁约束聚变为核聚变技术发展的主要方向，其中关键技术已达到全球领先水平。1993年，中国科学院等离子体物理研究所建成了首台超导托卡马克装置HT-7。2002年，核工业西南物理研究院完成了具有偏滤器设计的中国环流器二号A装置（HL-2A）。而在2006年，世界上首台全超导托卡马克装置东方超环（EAST）成功实现了首次放电。2023年12月29日，由中核集团牵头，25家中央企业、科研院所和高校共同组成了可控核聚变创新联合体，并正式揭牌成立中国聚变能源有限公司，标志着核聚变研究和建设的加速推进。

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图表 10：中国核聚变项目

目前在建设项目，将进一步激活产业链上游活力：

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图表11：中国在建核聚变项目

3.4难点与壁垒

根据科尔尼管理咨询，“核聚变技术需要几十年的时间才能取得规模性的商业运用，各类挑战将继续阻碍核能源在未来五年内作为替代性可再生能源的进程”。目前，技术仍处于培育阶段，真正实现“可控”和“商业化”还需克服技术、材料和工程等多个难题。

图表12：主要难点

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4. 政策支持核聚变事业

4.1政策指导

2024年10月23日，国务院国资委发文强调超前布局、梯次培育量子科技、核聚变、生物制造、6G等未来产业。其中，可控核聚变作为关键未来产业的战略地位，指出对其进行超前布局和分阶段培育的重要性。当前，加快打造一批具有国际竞争力的战略性新兴产业集群和产业领军企业，是中央赋予的产业报国使命责任。我国政府高度重视并大力支持可控核聚变的发展，将其作为未来清洁能源的重要组成部分。通过“十四五”规划、专项资金支持和政策引导，国家积极推动聚变技术的研发和产业化进程，不仅鼓励国内研究机构与企业的合作，还推动与全球科研力量的交流，确保中国在国际可控核聚变领域保持竞争优势，为未来实现能源可持续发展提供了坚实保障。

4.2国内代表性公司

在国家政策的引导下，越来越多的城市将可控核聚变技术作为重要的发展目标，致力于将其打造成未来清洁能源的核心解决方案。合肥、上海、成都等城市已经率先成为该领域的核心枢纽，通过强大的科研实力和完善的基础设施，结合一系列优惠政策，吸引了大批科研机构和企业的入驻，逐步形成了蓬勃发展的核聚变产业集群。这些城市不仅在研发技术上走在前沿，还在产业落地和技术转化方面取得了显著进展，为我国的可控核聚变技术发展提供了坚实的支持。

4.2.1能量奇点

能量奇点成立于2021年，是国内第一家聚变能源商业公司，致力于探索加速实现聚变能源商业化的科学技术，尽早实现人类能源自由。能量奇点聚焦于有商业发电潜力的高磁场、高参数、紧凑型高温超导托卡马克装置及其运行控制软件系统研发，为未来商业聚变发电堆提供高性价比、高可靠性的核心组件和服务。能量奇点团队成员来自斯坦福、普林斯顿、北大、清华、中科院、上海交大等顶级院校及国际领先聚变能源科研院所，拥有一流的研发能力、工程能力、创造力和专业经验，涵盖高温超导、等离子体物理、人工智能等多领域。

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图表 13：洪荒70

能量奇点目前的核心项目洪荒70，是全球首个全高温超导托卡马克装置，旨在全面验证高温超导托卡马克技术路线的工程可行性。该装置由能量奇点自主设计、研发和建造，拥有独立知识产权，国产化率超过96%。整个安装过程由中国核工业第五建设有限公司承担。洪荒70的总体安装于2024年3月顺利完成。到了2024年6月，该装置成功开展了基于局部螺旋磁通注入（电子枪）和离子回旋加热（ICRF）两种预电离方式的放电实验，首次实现了等离子体的产生，这标志着我国在高温超导磁约束聚变这一关键领域获得了先发优势。洪荒170则是公司计划中的下一代托卡马克装置，预计在2027年完成建设。展望2030年以后，能量奇点将启动新一代高温超导托卡马克装置——洪荒380的建设，旨在建成能够用于示范性聚变发电站的托卡马克装置。

4.2.2聚变新能

在2023年，蔚来与安徽省及合肥市的国有资本共同成立了聚变新能（安徽）有限公司（Neo Fusion），旨在实现可控核聚变的商业发电，其技术主要来源于两家位于合肥的科研机构——中国科学院等离子体物理研究所和合肥综合性国家科学中心能源研究院。

聚变新能专注于新兴能源技术、新材料技术的研发以及发电技术服务等领域。在发展模式上，公司明确规划了“聚变实验装置—聚变工程示范堆—商业聚变电站”三大发展阶段。2023年，聚变新能有限公司与等离子体所合作在合肥市建设紧凑型聚变能实验装置BEST。2023年11月已经完成园区基坑施工，计划2024年年初启动园区建筑土建施工。据天眼查显示，公司已经开展BEST装置的多项招标项目。

图表14：BEST项目施工现场

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4.2.3瀚海聚能

瀚海聚能成立于 2022 年，公司致力于探索加速实现聚变能源商业化的科学技术，为人类带来清洁、安全、廉价的终极能源。公司聚焦于有低成本商业发电优势的场反位形串列磁镜装置及其配套的加热与诊断系统软硬件研发，为未来商业聚变发电堆提供高性价比、高可靠性的核心组件和整体解决方案，同时发展中子源中间产品。公司核心成员来自中国科学技术大学等离子体物理与聚变工程专业以及清华大学工程物理专业，并与核工业西南物理研究院、中科院等离子体所、中国科技大学、华中科技大学等紧密合作。目前公司已与核工业西南物理研究院签订技术合作协议，开始装置设计工作。

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图表15：瀚海聚能场反位形直线型装置模型

5.助力深圳核聚变产业发展

2022年12月21日，深圳市人民政府办公厅发布《深圳市人民政府办公厅关于印发深圳市促进绿色低碳产业高质量发展若干措施的通知》，制定提升绿色低碳技术创新能力、鼓励绿色低碳新模式新业态创新发展等八大类共31项措施。核能领域方面，鼓励围绕聚变堆芯等离子体、核反应堆模拟等领域开展基础研究和前沿技术布局。鼓励开展核燃料组件、事故容错燃料、核级泵阀等关键技术和设备开发。支持开发第四代核反应堆、可控核聚变核心材料和关键技术研发。支持开展安全防护及监测、通信系统、核级线缆、电源系统等核电配套零部件重点领域科技成果转化与产业化。

5.1深圳市核聚变产业

5.1.1深圳大学

为适应新能源领域的发展和深圳大学高水平大学建设的需要，深圳大学于2017年6月17日成立“深圳大学新能源研究中心”，并于2019年12月20日正式成立深圳大学中美核聚变联合实验室，中国工程院院士万元熙为实验室主任。实验室依托由美国德克萨斯大学引进的Helimak装置开展相关研究工作。

图表 16：深圳大学磁环装置与磁约束聚变物理研讨会

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实验室依托由美国德克萨斯大学引进的Helimak装置开展相关研究工作。经过技术改进，深大磁环装置于2022年首次实现了稳定的等离子体运行。这一成果标志着深大在磁约束聚变研究领域的重要突破。2024年，深圳大学成功举办了“磁环装置与磁约束聚变物理研讨会”，汇集了来自国内外70余位专家学者，进一步展示了该校在该领域的科研实力。

5.1.2深圳量子科学与工程研究院

由深圳市科创委专项支持、依托南方科技大学建设的深圳量子科学与工程研究院是深圳科技创新十大基础研究机构之一。深圳量子科学与工程研究院的一些平台拥有在可控核聚变领域做出重要贡献的潜力：材料生长平台可以用于开发耐高温、耐辐射的材料，提升核聚变反应堆的材料性能；量子器件与芯片加工中心通过量子计算加速复杂的等离子体模拟与控制优化；冷原子量子光学平台的精密测量技术可以有助于更好地监控和调节核聚变反应过程中的等离子体行为。这些平台的技术进步能够为核聚变技术的突破提供重要支持。

5.1.3哈尔滨工业大学（深圳）

哈工大（深圳）空间科学与应用技术研究院教授冯学尚与副教授袁丁面向“太阳日冕加热问题”，利用全球最大口径的太阳望远镜和高性能计算机模拟手段，提出了太阳等离子体加热的革新性物理机制。日冕加热是指太阳外层大气的温度比其表面温度更高，达到了数百万摄氏度，这一现象长期困扰科学界。这项研究通过揭示太阳黑子中强磁场区域的横向振荡及其携带的能量，提供了对等离子体加热的新理解。这对可控核聚变具有重要意义，因为核聚变装置中的等离子体需要在极端条件下被有效控制和加热。研究中发现的振荡机制有助于开发更高效的等离子体加热方法，推动“人造太阳”技术的进步。

5.1.4香港中文大学（深圳）

香港中文大学（深圳）具备强大的科研实力，尤其是在高端功能材料方面的研究。这些研究平台，如高端功能与智能材料专项，专注于解决核聚变装备用关键材料的研发问题，例如高纯纳米粉体、难熔金属和钨基材料。这些材料的开发可以大幅提升核聚变装置在高热负荷和协同辐照环境下的运行效率与寿命，为核聚变中的等离子体控制和能量传输提供更稳定的基础。此外，核聚变装备用难熔金属粉体材料的制备技术也有助于提高核聚变装置在极端条件下的稳定性和安全性。这些研究不仅能够解决核聚变反应中高温、辐射等严苛条件下的材料性能问题，还能通过提供高效的储能材料和钨基合金等，推动核聚变技术的产业化应用进程。

5.2投资建议

全球领域可控核聚变技术突破和商业投资加速，未来将为相关产业链带来重大机遇，建议密切关注国内外领先的核聚变企业及国内高校、科研机构在可控核聚变领域的早期基础研究和技术突破方面取得的最新进展，密切关注具有商业技转潜力的项目。风险提示：可控核聚变的重要技术进展不及预期，建设进展不及预期，运行实验结果不及预期，设备交付不及预期，商业化进展不及预期。

作者 | 汇融投资投资分析师李奂宗，黄睿�。ㄊ迪吧�

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