导读:

东方富海博士后工作站秉承研究发现价值、研究引领投资的理念，对投资实务进行前瞻性研究。“富海洞察”专栏致力于发布工作站系列研究报告，供读者交流探讨。本文是可控核聚变技术的相关研究，为工作站出品的第23篇报告。

在全球能源格局深度调整与可持续发展需求日益迫切的当下，可控核聚变作为一种极具潜力的未来能源解决方案，正逐渐走进大众视野。如果能以可控和持续的方式实现核聚变反应，就可以拥有几乎无限的燃料来源，提供廉价、持续、绿色的电力，能源问题将有望得到根本解决。

 

1核聚变的基本原理与独特优势

核聚变，从本质上讲，是一种将核能（原子能）转化为电能或热能的过程，与我们日常生活中常见的化学能转化有着显著的不同。化学能的变化，如锂电、钠电、氢能的应用，仅涉及原子外层电子的转移，而原子核本身并未发生改变。但核聚变则是深入到原子核内部，释放出原子核内蕴藏的巨大能量。这种能量释放的根源在于爱因斯坦著名的质能方程E=mc2。在核聚变反应发生时，原子核发生变化，会出现一定的质量亏损，而这部分亏损的质量便按照质能方程转化为能量，成为核聚变能量的来源。核能可分为裂变能和聚变能，分别对应两种核变化的方式：核裂变和核聚变，原理如图1所示。核裂变指一个原子核分裂成几个原子核的变化，一个重核的原子核被中子撞击后分裂成两个或更多的轻核，这一过程伴随着中子的释放和大量能量的释放（核裂变能）。同时释放的中子又能使别的原子核接着发生核裂变，使过程持续进行下去（链式反应）。而核聚变是指两个轻核在一定条件下（如超高温和高压）结合形成一个重核的变化，同时释放出大量的能量（核聚变能）[1]。

▲图1. 核能的两种释放过程：核裂变与核聚变（图片来源：中国新材料产业技术创新平台）

 

核裂变技术相对成熟，并获得了广泛应用。但核裂变反应的燃烧效率较低，且发生反应后的核废料放射性极强，在短时间内难以对其进行安全处理，对环境和人类健康构成了长期的潜在威胁。与核裂变相比，核聚变具有释放能量大、原料来源丰富、安全可靠、环境友好、产生的放射性废物少等显著优势，是一种真正意义上的清洁能源。

2核聚变的反应条件与商业化挑战

如图2所示，实现核聚变反应并非易事，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。只有聚变三乘积大于一定值（5×1021m-3·s·keV），才能产生有效的聚变功率，从而实现核聚变反应的持续进行[2]。

图2. 获得核聚变反应的三要素

其中，高温是实现核聚变反应的关键因素之一。等离子体需要被加热到数亿度的超高温度，只有在这样的极端高温下，才能克服原子核之间的库仑排斥力，使原子核有足够的能量相互靠近并发生融合反应。同时，较高的等离子体密度也至关重要，它可以增加粒子之间的碰撞频率，从而大大提高聚变反应发生的概率。此外，为了实现有效的核聚变，等离子体还需要在高温和高密度的状态下保持足够长的时间，即具备一定的能量约束时间。较长的约束时间能够确保聚变反应持续稳定地进行，源源不断地产生能量。核裂变从首次揭示其原理到实现裂变电站的商业化运营，仅仅用了10年时间。然而，核聚变的商业化进程却异常艰难。自1934年科学家首次发现氘-氘核聚变反应以来，尽管经过了长达70多年的不懈努力，人类至今仍未能实现可控核聚变发电，其主要原因是核聚变和核裂变的反应原理存在本质差异。核裂变可以通过不断投入大量资金，逐步改进技术来持续维持反应的进行，并且能够通过相对成熟的技术手段有效地控制核裂变的反应速率，从而实现稳定的发电。但核聚变的反应过程并不需要中子的参与，导致无法通过简单复制核裂变控制反应速率的方式来实现核聚变的稳定运行。因此，尽管核聚变在理论层面展现出极为可观的应用潜能，但在当下仍然面临着诸多技术和工程上的巨大挑战。如表1所示，这些挑战严重制约了核聚变技术真正走向商业能源市场的进度。

表1. 可控核聚变面临的工程和技术上的挑战

 

3可控核聚变的技术路线及项目进程

目前，实现核聚变反应的约束方式主要有三种，包括引力约束、惯性约束和磁约束。

1、引力约束

太阳是天然存在的引力约束核聚变范例，太阳发光发热的能量来源就是引力约束核聚变。人类现阶段技术无法在满足相对小体积的条件下制造出大质量物体，暂时制造不出可实现引力约束的核聚变反应堆。

2、惯性约

束惯性约束指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，在此过程中被压缩至高温、高密度的物理状态，从而发生核聚变反应。美国的国家点火装置（NIF）和中国的神光系列研究装置是有代表性的惯性约束核聚变研究装置。惯性约束装置目前已成功实现点火，但能量增益因子距离发电标准相差较远，能量耗散难以控制。

3、磁约束

磁约束是指利用磁场约束带电粒子沿磁力线运动，通过加热等外部手段将燃料温度提升，极高的温度使得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。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。如表2所示，磁约束的装置主要包括托卡马克、仿星器、磁镜、场反位形和反场箍缩等，其中托卡马克被普遍认为是最有希望实现可控核聚变的装置，也是目前全球各国投入最大、最接近核聚变条件、技术发展最成熟的途径[3]。

表2. 不同磁约束核聚变装置的技术路线

图3. 环形托卡马克装置示意图（a）及球形托卡马克剖面示意图(b)（图片来源：前瞻网，星环聚能官网）

ITER（国际热核聚变实验堆，International Thermonuclear Experimental Reactor）是目前正在建设的全球规模最大的实验性托卡马克核聚变项目。2007年10月ITER组织在法国正式成立，各国政府及科技界高度重视和支持ITER建设。目前项目的参与国达35个，其中中国、印度、日本、韩国、俄罗斯及美国分别承担ITER建设阶段费用的9.1%，其中90%将以设备的形式贡献，另外10%则为现金贡献；东道方欧盟贡献金额达到45%，包括部分ITER零部件与系统的制造，以及几乎所有有关该科学研究的投资[1,4,5]。

 

我国的核聚变研究开始于20世纪60年代初，以托卡马克为主要研究路线，表3梳理了可控核聚变领域的具体项目：

表3. 我国可控核聚变项目清单

 

 

4可控核聚变的产业链分析

可控核聚变产业链涵盖了上游原料供应、中游技术研发与设备制造以及下游整机建设和运营等多个环节（详见图4）。各环节紧密相连，共同推动着可控核聚变技术的发展。

图4. 可控核聚变产业链

在上游原料供应环节，主要包括金属钨、铜等第一壁材料、各类有色金属等高温超导带材原料和氘氚燃料等。这些原材料是建造核聚变装置的基础，例如钨和铜因其良好的物理性能，是核聚变反应器第一壁的重要材料；各类金属化合物则是制造高温超导磁体的关键原材料；重水、Li-6等则是实现核聚变反应不可或缺的原料。

 

中游的技术研发与设备制造环节是整个产业链的核心部分。这一环节涉及核聚变技术的深入研发以及各类设备的高精度生产制造。其中，核心设备包括反应器内的第一壁、偏滤器、高温超导磁体等关键组件。这些设备的设计与制造需要极高的精度与可靠性，以确保核聚变装置能够安全、稳定地运行。特别是超导磁体，其在总投资成本中占比高达40-50%，是核聚变装置运行的核心部件，其性能的优劣直接影响着整个装置的运行效率和稳定性。

 

下游的整机建设和运营环节虽然目前尚未实现商业化发电，但却是研究可控核聚变技术的最终目标和应用方向。核聚变技术一旦实现商业化突破，将主要应用于发电、医疗、科研等多个重要领域，有望为全球能源结构和社会发展带来革命性的变革。

 

基于上述产业链分析，可重点关注以下关键部件。

1、第一壁和第一壁材料

第一壁是聚变装置的关键部件，提供了包层系统与等离子体的界面并屏蔽等离子体运行时产生的高热负荷，主要功能是有效控制进入等离子体的杂质，有效传递辐射到材料表面的热量，保护非正常停堆时其他部件因受等离子体轰击而损坏。

ITER的第一壁由三种材料构成，分别为面对等离子体铍瓦材料、中间热沉CuCrZr(铬锆铜)合金材料和支撑背316L(N)不锈钢材料，综合考虑了第一壁材料与聚变等离子体的相容性、导热性能和结构强度等。为实现良好的热传导以消耗热负荷，三种材料之间需冶金结合，连接技术也成为第一壁板制造的核心技术[4]。

钨基合金被认为可能是未来聚变堆理想的第一壁材料。钨及钨基材料具有高熔点、高热导率、低溅射产额和高自溅射阅值、低蒸气压和低氚滞留性能，成为极具应用前景的一类第一壁材料。

2、高温超导带材和高温超导磁体

高温超导带材和高温超导磁体是整个聚变装置的核心。以稀土钡铜氧（REBCO）为代表的高温超导材料，推动了其在磁体领域的应用。与传统低温超导材料相比，REBCO材料具有更高的临界温度和热稳定性，并且在高磁场下仍能保持出色的载流能力。高温超导磁体较之目前使用的低温超导磁体大幅提升了磁场强度，例如CFS公司的 SPARC聚变反应堆采用高温超导材料，产生的磁场强度在托克马克圆环内可以达到21特斯拉，而ITER还不到12。更高的磁场强度可提高核聚变的效率，从而得到更高的投入产出。以上特性为设计体积小、结构简单、成本低的聚变系统提供了可能，促进了紧凑型托卡马克核聚变能源新趋势的形成[5]。3、偏滤器和偏滤器材料

偏滤器是环形聚变装置的组成部分，通常位于真空室的上下方，主要用于控制等离子体与真空室壁面的相互作用，减少壁面的热负荷和粒子轰击。可以使第一壁避免不可控的功率沉积，并减少来自第一壁的杂质对等离子体的污染，能起到很好的屏蔽作用。偏滤器构成主要包括面向等离子体材料和热沉材料[6]。

目前，研究最多的面向等离子体材料是铍（Be）、碳（C）和钨（W）。Be 的优点是热导率高、无化学溅射和吸氧能力强，但其熔点低（1560K）、物理溅射阈值低、抗中子辐照能力差，并且有毒。C的优点是热导率高、抗热冲击性能强和不熔化（升华温度 3800K），但其物理溅射阈值低、中子辐照后热导率显著下降、高温下刻蚀速率高，并且会引起氚滞留。而W作为稀有高熔点金属（3683K），其化学性质比较稳定，具有高导热性、高溅射阈值和低的氚滞留的特点，因此被确定为面向等离子体材料的首选[4]。

铜（Cu）及铜合金因其优良的导热性能成为热沉材料的首选，铜合金具体可分为沉淀强化铜合金和弥散强化铜合金两种。钨铜偏滤器能够结合钨的高熔点、低溅射、低滞留，以及铜的高热传导等优点，有望成为更优的热沉材料选择。

 

5未来展望

在当下全球能源转型的关键时期，可控核聚变作为一种极具潜力的未来能源解决方案，正逐渐成为能源领域的焦点，一旦实现商业化突破，将对全球能源市场产生深远影响，带来巨大的经济和环境效益。从投资角度看，虽然目前行业仍处于研发阶段，但随着技术的逐步成熟和商业化进程的推进，相关企业和产业链环节将蕴含巨大的投资潜力。

1、技术层面

尽管当前可控核聚变在技术突破上面临诸多挑战，但随着对燃烧等离子体物理机制的深入探究，有望攻克自持燃烧等离子体输运与约束难题，实现更高效率、更稳定的核聚变反应。在材料科学领域，研发抗中子辐照、耐高温高压且具备优异热传导性能的新型材料将取得关键进展，为核聚变装置的长时间稳定运行提供坚实保障。氚自持技术也有望迎来重大突破，优化的产氚包层设计与高效的氚回路循环系统将确保氚燃料的稳定供应，大幅提升核聚变的能量产出与可持续性。

2、商业化进程

从商业化进程来看，随着技术的成熟与成本的有效控制，可控核聚变发电将逐步从实验室走向市场。预计在未来几十年内，首座商业核聚变发电厂有望建成并投入运营，开启清洁能源的新纪元。届时，电力供应将变得几乎无穷无尽且成本低廉，极大地推动全球经济的发展，尤其是能源密集型产业如制造业、数据中心等将迎来前所未有的发展机遇，彻底摆脱对传统化石能源的依赖，有效缓解全球能源危机与气候变化压力。

3、应用拓展

在应用拓展方面，核聚变能源除了大规模发电外，还将在分布式能源、海水淡化等领域发挥独特作用。小型化的核聚变装置可为偏远地区或特殊环境提供可靠电力；利用核聚变产生的热量进行海水淡化，可有效解决沿海地区及海岛的淡水短缺问题，促进全球水资源的合理利用与调配。同时国际合作也有望在可控核聚变应用发展中持续深化，加速技术创新与商业化进程。

可控核聚变虽在技术和工程上仍有挑战，但它无疑为人类解决能源危机、迈向可持续能源的未来提供了可能。随着科研投入增加和技术不断突破，相信在不久的将来，可控核聚变能够为全球能源格局带来革命性变革，开启全新的能源时代。

 

参考文献：

[1]方竞，吕伟，马天诣，宋晓东. 终极能源大门开启. 2024年01月03日. 民生证券研究院.

[2]王腾. 超导磁体技术与磁约束核聚变. 南方能源建设. 2022, 9(4): 109-117.

[3]王志斌，沈炀，余羿，陈坚. 我国磁约束核聚变能源的发展路径、国际合作与未来展望. 南方能源建设. 2024, 11(3): 1-13.

[4]彭毅. 政策、技术、资本合力推动，聚变能商业化前景可期——可控核聚变专题报告. 2024年3月24日. 甬兴证券研究所.

[5]武浩, 王煊林. 可控核聚变曙光将近，产业链加速发展. 2024年3月14日. 信达证券研究所.

[6]刘永, 李强, 陈伟. 磁约束核聚变能研究进展、挑战与展望. 科学通报. 2024, 69(3), 346-355.