1/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 行业研究报告 慧博智能投研 核聚变发 电具有 更低的 燃料 成本、燃 料资源 充足、不会 对环境造 成危害 以及更 高的 安全性等 优势，被誉为 人类 终极能 源。国 际核 能大国分 别给出 了聚变 能发 展规划，在关键 节点 DEMO 的设计、建造、运行上，美 国、欧 盟、俄 罗斯、日本和 印度等 分别给 出了 2035 年 左右的 时间规 划。围绕核聚 变，下 面我们 从 核 能入手，了解 核 聚变区 别于 核裂变的 优势特 征，以 及常 见的技术 路径及 其中国际主流 技术路 线 托卡 马克装置，了解 核聚变 在美 欧日俄及 我国的 进展情 况、当今全球 的主要 核聚变项目、商业化 进程、市场 空间等情 况，并 进行产 业链 梳理，展望 今后 核聚变 商业 化道路进 程，方 便读者深入了 解这一 行业。目录 一、概述.1 二、各国 进展情 况.5 三、全球 主要核 聚变项 目梳 理.11 四、商业 化进程.15 五、市场 空间.19 六、产业 链.20 七、相关 公司.24 八、未来 展望.27 九、参考 研报.28 1.核能是一 种非常 高效的 清洁 能源，它 是由物 质元素 的原 子核发生 改变而 放出的 能量。核能与 我们所 熟悉的支持生 命过程 的化学 能不 同，它是 原子的 核内能 量而 不是核外 能量，而参与 生命 物质转化 的化学 能都是核外能 量，这 些化学 反应 都不会引 起原子 核的变 化。核变化所 释放的 能量主 要分 为两大类：1）核 裂变（nuclear fission），即重元 素的 原子核分 裂为质 量较轻元素的 原子核 时所释 放的 能量，称 为核裂 变能；2）核聚变（nuclear fusion），即小质 量元素 的原子核聚合成 为重核 所释放 的能 量，称为 核聚变 能。2/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 2.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。核 聚变 反应发生 在一种 叫作等离子体 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，具有不 同于固体、液 体和气 体的独 特性 质。只要 将氢的 同位素 氘和 氚的原子 核无限 接近，使其 发生聚变 反应，就能释放出巨 大能量。核裂 变是 从原子核 分裂中 获得能 量，而核聚变 则 是通 过将原 子核 结合而释 放能量。虽然两种原 子反应 都是通 过改 变原子而 产生能 量，但 它们 的根本区 别对安 全却有 广泛 的影响。相较于 核裂变，核聚 变有以 下优势：1 核聚变产 生的能 量非常 大 是核裂 变反应 的四倍，而 且聚变反 应可以 成为未 来聚 变动力堆 的基础。各种计划要 求第一 代核聚 变反 应堆使用 氘（重 氢）和 氚（超重氢）的混合 物。理 论上，只要有 几克这 些反应物，就 有可能 产生一 太（万亿）焦 耳的能 量，这 大约 是发达国 家的一 个人在 60 年内所需 要的能 量。XVDWvMqNtQqRpRnOtOsNqRaQdN7NpNoOtRtPeRqQqRlOqRtN8OnNyQMYrNuMuOqNpO 3/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 2 只要将氢 的同位 素氘和 氚的 原子核无 限接近，使其 发生 聚变反应，就能 释放出 巨大 能量。氘 可以从 海水中廉价提 取，而 氚则可 以利 用聚变产 生的中 子与丰 富的 天然锂反 应产生。这些 燃料 供应可持 续数百 万年之久。3 未来的聚 变反应 堆在本 质上 也是安全 的，不 会产生 高放 射性、长 衰变期 的核废 物。此外，由 于核聚 变过程难以启 动和维 持，因 此不 存在失控 反应和 熔毁的 风险；核聚变 只能在 严格的 操作 条件下发 生，超 出这个条件（例如在 事故或 系统 故障的情 况下），等离 子体 将自然终 止，很 快失去 其能 量，并在 对反应 堆造成任何持 续损害 之前熄 灭。4 核聚变，就像核 裂变一 样，不会向大 气层排 放二氧 化碳 或其他温 室气体。3.地球上实 现可控 核聚变，就 需要对高 温等离 子体进 行约 束。在聚 变反应 中，实 现高 温等离子 体约束 的方式主要有 三种：1 引力约束 是指通 过物质 自身 质量产生 巨大的 引力来 实现 对等离子 体的约 束，比 如太 阳自身具 有强大 的引力，在高 温和高 压的合 力下，让氢核 裸露出 来，相 互碰 撞产生持 续源源 不断的 核聚 变。2 磁约束是 利用磁 场约束 带电 粒子沿磁 力线运 动，发 生核 聚变反应 需要把 核聚变 燃料 氘氚加热 到上亿 度，形成等离 子体，使得质 子不 被电子包 裹，做 高速热 运动，两个质 子发生 碰撞的 概率 越高，由 于等离 子体温度极高，科学 家通过 磁场 约束质子 运动，从而避 免等 离子体接 触到容 器，这 种装 置是托克 马克。3 惯性约束 采用多 台超大 功率 激光器，对准封 装核燃 料的 氢气小球，同时 发射激 光，加热和压 缩氢燃 料，激光在进 入环空 器后，会击 中内壁并 使其发 出 X 射 线，然后这些 X 射线 可以将 其加 热到 1 亿摄 氏度，高能激光会 使小球 表面等 离子 体化，其 余中心 材料受 到牛 顿第三定 律驱使，最终 会向 中央坍缩 发生内 爆。在内爆时，只要 对燃料 球给 予正确的 高温高 压就能 发生 链式反应，随之 便会放 出大 量能量。4/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 其 中 托 卡马 克 磁约 束 聚变 是国 际 主 流技 术 路线，可行 性得 到 了 验证。4.托卡马克 装置已 成为可 控核 聚变的主 要途径。托卡 马克 装置的中 央是一 个环形 真空 室，里面 注满气 体，外面缠绕 着线圈。线圈 通电 后，会在 托卡马 克内部 产生 巨大的螺 旋型磁 场，里 面的 气体将被 电离成 等离子体并形 成等离 子体电 流。当等离子 体被加 热到极 高温 度后，便 可实现 核聚变。利 用不同核 聚变实 现方式而建设 的托卡 马克装 置，其等离子 体运行 模式有 多种，不同托 卡马克 装置尺 寸、性能不同，能量 约束模式也有 所区别。其中，磁 约束类型 托卡马 克是目 前全 球研发投 入最大、最接 近核 聚变点火 条件、技术发展最成 熟的途 径。超导材料 是未来 托卡马 克装 置的重要 组成部 分，超 导托 卡马克诞 生。所 有托卡 马克 的终极目 标是将 氘氚聚变原料 加热到 点火点 或更 高的温度，并加 以控制 地持 续尽可能 长的反 应时间，以 追求连续 的聚变 能量输出。即 使采用 导电性 良好 的铜作为 导体绕 制线圈，由 于电流巨 大线圈 不可避 免地 存在发热 问题，从而限制了磁 约束核 聚变的 长时 间稳态运 行。由 于超导 体具 有零电阻 效应，且承载 电流 密度更高 有利于 建造 5/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 更加紧凑、更高 场强的 聚变 装置，能 够有效 改善长 脉冲 稳态运行，20 世纪 后期，科学家们 开始把 超导技术用于 托卡马 克装置。为 了解决常 规托卡 马克的 瓶颈，超导技 术便被 引入到 了托 卡马克建 设中。5.1 我国可控 核聚变 研究始 于 20 世纪 50 年代 中期，1972 年开始研 制我国 第一台 铁芯 变压器托 卡马克 装置CT-6，1995 年建成 了我国 第一台超 导托卡 马克装 置 HT-7，2002 年建 成了第 一台 具有偏滤 器位形 的中国环流器 二号 装置（HL2A），2006 年 世界上 第一台 全超导托 卡马克 装置东 方超 环（EAST）首次 成功放电，2020 年 中国环 流 器二号 装置（HL-2M）升 级改造完 毕实现 首次放 电，根据中国 磁约束 聚变发展路线 的计划，在本 世纪 中期可以 完成第 一座用 于商 业发电的 原型聚 变电站（PFPP）的建设。在技术方面，EAST 于 2021 年 分别实现 了 1.2 亿摄 氏度等 离子体稳 态运行 101 秒以及 7000 万摄 氏度离 子体稳态运行 1056 秒的 成绩，均创造了 托卡马 克实验 装置 运行的世 界纪录，2023 年 4 月，EAST 装 置获得403 秒稳 态高约 束等离 子体，创造该 参数下 运行时 间新 的纪录。2023 年 8 月，HL-3 首次 实现 100 万安培等离子 体电流 高约束 模运 行，再次 刷新中 国磁约 束聚 变装置运 行纪录，关键 技术 领 先全球。2 10 月 30 日，美国 可控核 聚 变第四次 点火成 功，前 四次 可控核聚 变实验 均实现 净能 量增益，其中第 四次向目标提 供 2.2MJ 能 量后，产生的 核聚变 能量 3.4MJ。根据中 国工程 院院士 杜祥 琬 12 月 14 日接受 环球时报 记着采 访表示，美 国此次开 展的 激 光能可 控核 聚变，根 本目的 是研究 核武 器相关的 物理问 题，美国国家 点火装 置由美 国能 源部下属 管理核 武器的 国家 核安全局 负责运 行，它 的主 要任务是 实现能 产生高能量的 聚变反 应，并 为美 国核武器 储备的 维护提 供指 导。当前世界 共有 50 多个国 家 正在进行 140 余项 核聚变 装 置的研发 和建设，并取 得一 系列技术 突破，IAEA预计到 2050 年 世界第 一座 核聚变发 电厂有 望建成 并投 入运行。其中主 要的技 术路 线是使用 磁约束 的托卡马克和 仿星器，有少 数国 家进行激 光惯性 约束的 研究。6/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 1.Q 1 7/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 NIF：2022 年 12 月 13 日，美国国 家点火 设施（NIF）首次实 现聚变 点火，创造 了聚变能 试验纪 录，有力推动了 激光驱 动聚变 能量 的发展前 景。2023 年，NIF 又接连 进行了 三次点 火实 验，分别 在 7 月 30 日、8 月 8 日和 10 月 30 日，都 成功地实 现了核 聚变能 量超 过激光能 量，其 中最高 一次 达到了 3.88MJ，比输入能量 增加了 89%，相当 于燃烧 300 公斤的 汽油。SPARC：麻省理 工学院 等 离子体科 学与融 合中心（PSFC）主持 研究开 发了 新一代 的托卡马 克核聚 变堆SPARC，于 2021 年开始 建 造，为期 四年完 成。SPARC 使 用由新 型高温 钇钡钡 铜 氧化物（YBCO）制 成的强力磁 体来产 生等离 子体，产生的 能量是 在高温 下维 持等离子 体所需 能量的 两倍，从而使 融合增 益Q2，并能在 10 秒内 实现 高达 140MW 的聚变 功率。相关研究 表明，SPARC 理 论上可实 现大于 10 的 Q比。2.JET：于 1978 年开始 建造，位于英 国牛津 郡库勒 姆聚 变能源中 心的欧 洲联合 环面（JET）是 现有的 唯一可以使 用氘-氚燃料 混合 物运行的 托卡马 克设施，该 燃料混合 物也将 用于未 来的 聚变发电 厂。在 JT-60SA 开始运 行之前，JET 一直是世 界上最 大的在 运托 卡马克装 置，并 在 1983 年 实现了第 一个等 离子体试验。JET 数十 年的实 验优 化了氘-氚的聚 变反应，并 帮助开发 了管理 燃料滞 留、热排放和 材料演 变的技术。JET 的核心 是一 个真空 容器，目前该 容器容 纳了 90m3 的聚变等 离子体。多年 来，该设施创 下了多 项 纪录，包括 1997 年创 纪录的 0.64 的 Q-等离 子体（产生 的聚变功 率与加 热等离 子体 的外部功 率之比），以及 2021 年 12 月创 纪录 的 5 秒脉 冲内 59MJ 的聚 变 能量输出。高性 能氘-氚实 验始于 1997 年，自 2011年以来，真空容 器的第 一个 壁由铍和 钨制成，取自 ITER 的建 设经 验。JET 目前正 在完成其 最后一 系列实验，并 将于 2023 年年底 停止运营，先于 计划的 2024 年开始 退役。8/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 W7-X：W7-X 于 2014 年 4 月建成，位于 德国格 赖夫 斯瓦尔德 的马克 斯 普 朗克研 究所，是 世界上 最大的仿星器 设备。W7-X 的水 冷系统可 支持该 装置在 10MW 的加 热下放 电长达 30 分 钟。2023 年，W7-X实现了等 离子体 放电长 达 8 分钟，产 生 1.3GJ 的能量 周 转，表明 它能够 连续耦 合等 离子体中 的大量 能量。9/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 MAST-U：MAST-U 装置 是在兆安 培球形 托卡马 克装 置（MAST 装置）基础 上升 级而来，于 2020 年在英国建成。MAST-U 是一 种 低深弦比 托卡马 克，能 够与 各种不同 的偏滤 器一起 使用，并且是 第一个 使用Super-X 偏滤器 工作的 系统。该系统 目的是 在足够 低的 温度下将 等离子 体从设 施中 导出，降 低热功 率负载以达到 材料可 承受的 温度，进而延 长组件 的使用 时间。利用该 系统可 使到达 聚变 堆设施内 表面的 热量降至原来 的 1/10，有效 改变 未来核聚 变发电 站的长 期运 行能力。3.2 JT-60SA：JT-60SA 是一 个由日本 和欧盟 共同合 作建 造运行的 超导托 卡马克 装置，位于茨 城县日 本原子能研究 开发机 构（JAEA）内，目 前是世 界上最 大的 热核聚变 实验装 置。JT-60SA 于 2023 年 11 月 2日成功点 火，达 到满功 率后 可将等离 子体 加 热到 2 亿摄 氏度并维 持约 100 秒。JT-60SA 的工作为 ITER的建造以 及日本 示范发 电厂 DEMO 的 实现奠 定了基 础。4.T-15MD：T-15MD 托卡马 克位于俄 罗斯联 邦库尔 恰托 夫研究所，于 2021 年完成 机器升级。2023 年 4月，实现 了首次 稳定的 等离 子体操作。T-15MD 托卡马 克使用水 冷系统，能够 在 2T 的 等离子 体轴上 产生环形磁 场;它还 具有强 大 的准固定 式附加 加热系 统，等离子体 的总功 率输入 高达 20MW，等离 子体中的电流可 达到 2.0MA，持 续时间为 10 秒。5.100 近年来，中国核 聚变技 术取 得了一系 列重要 进展。2021 年 5 月 28 日，EAST 装 置 实现了可 重复的 1.2亿度 101s 等离 子体运 行和 1.6 亿度 20s 等离 子体运 行。2021 年 6 月 8 日，EAST 装 置总放电 实验次 数突破 10 万次。2021 年 12 月 30 日晚，实现 1056s 的 长脉冲高 参数等 离子体 运行，这是目 前世界 上托卡马克装置 高温等 离子体 运行 的最长时 间。2023 年 4 月 12 日，EAST 成功 实现了 403s 可重复 的稳态 长脉冲高约束 模式等 离子体 运行，创造了 托卡马 克装置 高约 束模式运 行新的 世界纪 录。EAST 装 置创造 的多项托卡马 克运行 的世界 纪录，标志着 中国在 磁约束 聚变 研究领域 引领国 际前沿，也 为中国自 主建造 聚变工程实验 堆提供 了坚实 的科 学技术基 础。2023 年 12 月 29 日，以 核力启 航聚变 未 来 为主 题的可 控核聚变未来 产业推 进会在 蓉召 开。由 25 家央 企、科 研院 所、高校 等组成 的可控 核聚 变创新联 合体正 式宣布成立。国务院 国资委 启动 实施未来 产业启 航行动，明 确可控核 聚变领 域为未 来能 源的唯一 方向。10/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 HL-2M：环 流三号（HL-2M）托卡 马克装 置是 HL-2A 的改造 升级装 置。2022 年 11 月，等离 子体 电流首次突破 100 万安 培。2023 年 8 月 25 日，首次实现 100 万安 培等离 子体电 流下 的高约束 模式运 行。EAST：EAST 是 我国自 行 设计研制 的世界 上第一 个 全超导非 圆截面 托卡马 克 核聚变实 验装置。2021年 12 月，EAST 实现 了最长 的稳态高 温等离 子体运 行（1056 秒），即具 有类似 ITER 的配 置和 加热方案的长脉 冲高性 能运行。11/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 中 国 环 流三 号（HL-2M）是由中核 集团西 南物理 研究 院自主设 计建造 的托卡 马克 装置，于 2020 年 12月建成，也是我 国设计 参数 最高、规 模最大 的核聚 变大 科学装置，被称 为中国 的新 一代 人 造太阳。在高约束运 行模式 下，HL-2M 等离 子体电 流强度 可达 250 万安 培以上，等离 子体 温度可达 1.5 亿 度。2023 年 8 月，中国环 流三 号首次实 现 100 万 安培等 离 子体电流 下的高 约束模 式运 行，再次 刷新我 国磁约束聚变 装置运 行纪录，突 破了等离 子体大 电流高 约束 模式运行 控制、高功率 加热 系统注入 耦合、先进偏滤器位 形控制 等关键 技术 难题，是 我国核 聚变能 开发 进程中的 重要里 程碑，标志 着我国磁 约束核 聚变研究向高 性能聚 变等离 子体 运行迈出 重要一 步。2023 年 12 月 14 日，核 工业西 南 物理研究 院与国 际热核聚变实 验堆 ITER 总部签 署协议，宣布新 一代人 造太 阳 中国 环流三 号 面向 全球 开放。1.ITER 1985 年，在美、苏首 脑的 倡仪和国 际原子 能机构（IAEA）的赞 同下，一项重 大 国际科技 合作计 划-国际热核聚 变实验 反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）得以确 立，其目标是要 建造一 个可持 续燃 烧的托卡 马克聚 变实验 堆以 验证聚变 反应堆 的工程 可行 性。12/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 ITER 计划是 目前世 界上仅 次于国际 空间站 的又一 个国 际大科学 工程计 划，场 址位 于法国的 卡达拉 舍。1998 年，美 国退出 ITER 后，欧、日、俄三 方重新 对原 设计进行 改进和 优化，并于 2002 年完 成。目 前合作承担 ITER 计划 的七个 成员是欧 盟、中 国、韩 国、俄罗斯、日本、印度和 美国，这七方 包括了 全世界主要的 核国家 和主要 的亚 洲国家，覆盖的 人口接 近全 球一半。ITER 项目 的核电 站将产生 大约500MW 热能，如果持 续运 行并接入 电网，将转化 为约 200MW 的电 能，够 20 万 户家庭使 用。2020 年 7 月，ITER 托卡 马克装置 安装工 程启动，预 计 2025 年完 成建设 并进行 第一次等 离子放 电试验。装置重达 23000 吨，高近 30 米，项目占 地约 180 公顷，托卡马 克 装置 的等离 子体 体积为 830m3。磁体系统由 18 个 环形磁 场磁 铁、6 个极化 磁场线 圈、1 个 13 米高的 中央螺 线管、18 个 超导校 正线圈、31个超导磁 体馈线 和 29 个非 超导容器 内线圈 组成，其中 部分超导 线材由 西部超 导完 成供应。偏滤器 将由54 个不锈 钢部件 组成，每 个部件重 10 吨，由国光 电 气参与供 应。ITER 项目 预估成 本为 220 亿美元，其中磁 体系统、容 器内部件、建筑 占比最 高，分别达到 28%、17%、14%。在 实 际 建 造 中，工 厂 总 体 成 本（包 括 建 筑 成 本 和 主 机 装 置 外 的 支 持 部 件 和 附 属 系 统）被 大 大 低 估，13/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 ITER 的预算 也在逐 年上升。根据核 聚 变发 电厂 DEMO 的成本 估算，工厂总 体成 本将上升 至 40%，制冷系统、容器内 部件、磁体 系统将分 别占比 16%、15%、12%。中 国 承 担了 18 个 采 购包 的制 造 任 务，涉 及磁 体 支撑 系统、气 体注 入 系统、可耐 受极 高 温 的反 应 堆堆 芯“第一壁”等 核 心关 键 部件。我国依靠 自主创 新，为 ITER 计划 的顺 利推进 做出了 重 要贡献，例如：1）研制出世界 最大电 流的高 温超 导电流引 线，创 下了高 温超 导电流引 线载流 能力的 世界 最高记录，实现 了我国在高温 超导大 电流引 线领 域应用零 的突破。研制 的大 电流超导 铠装导 体一次 性通 过严格苛 刻的国 际验证，性能 居 ITER 各 方之首，并率先 交付 ITER 采购包 首件产 品，促使 我国大 型超 导导体研 制和工 业化生产能力 跨入国 际领先 水平。2）我国交 付的 PF6 线圈是 ITER 装置主 机的 最重要 部分之一，位于 ITER装置超导 磁体的 底部，是目 前国际上 研制成 功的重 量最 大、难度 最高的 超导磁 体。PF6 线圈所 有关键 制造工艺及 部件全 部一次 性通 过 ITER 国际组 认证，双饼 制造合格 率达到 100%，超 导接头性 能显著 优于ITER 技术要 求。PF6 线圈 的成功制 造不仅 打破了 发达 国家在这 一领域 的技术 壁垒，生产设 备实现 了全国产化，同时还 发展和 完善 了超导磁 体制造 的标准 和相 关规范。2.EAST 14/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 EAST（即 东 方超 环）是 我国 自 行 设计 研 制的 世 界 上 第一 个 全 超 导 非圆 截 面托 卡马 克 核 聚 变 实验 装 置，它同时具 有上亿 温度的 超 高温、零下 269 度的 超低 温、超 大电流、超 强磁 场、超 高真空 等极 限条件，项 目难度 非常大，它 的成功建 设和运 行是中 国可 控核聚变 研究的 里程碑 式突 破。EAST 的 大小半 径虽然 只有 国际热核 聚变试 验堆（即 ITER）的 1/3 和 1/4，但 位形 与 ITER 相似且 更加灵活，而 且将比 ITER 早 10-15 年投入 运行。EAST 是一 个近堆芯 高参数 和稳态 先进 等离子体 运行科 学问题的重 要实 验 平台，它将 是在 ITER 之前 国际 上最重 要的稳态 偏滤器 托卡马 克物 理实验基 地。2023 年 4 月 12 日 21 时，一项新的 世界纪 录诞生 正在运行 的世界 首个全 超导 托卡马克 核聚变 实验装置（EAST）成功 实现了 403 秒稳态 长脉冲 高约束 模式 等离子体 运行，刷新了 2017 年托卡 马克装 置高约束模式运 行 101 秒的 纪录。3.CFETR 中国聚变 工程试 验堆（CFETR）是中国 自主开 发和设 计的下一 代聚变 装置，旨在 弥补 ITER 和未 来聚 变堆之间的 差距，已进行 了数 轮总体工 程设计。CFETR 将分 2 个阶段 运行：第一阶 段的目标 是实现50200MW 的聚 变功率，聚变增益 Q=15，氚增 值 率 TBR1.0，中 子辐照 效应10dpa；第二阶 段的目标是聚 变功率1GW，聚 变增益 Q10，在中 子辐照 效应50dpa 的条 件下进 行 托卡马克 DEMO 验 证。CFETR 装置大 半径 R=7.2m，小半径 a=2.2m，可 以兼 容第一阶 段和第 二阶段 的目 标。15/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 1.“”“”技术层面：相比核裂变，实 现核聚变 可控条 件苛刻，如 极高的燃 烧温度、超强 的燃 烧压力以 及连续 约束时间等。在地球 上创造 聚变 需要施加 大约 1 亿 高温 才 能将两个 原子核 变成等 离子 体，对反 应容器 的耐受温度提 出极限 挑战。在持 续运行时 长方面，如今 核裂 变电站已 经能够 实现全 年稳 定运行，而核聚 变当前最高稳 定运行 纪录是 EAST 创 造的 1.2 亿 403 秒。材料层面：首先，超导材 料 能够为核 聚变反 应提供 更强 磁场，进 而缩小 托卡马 克装 置体积，但高温 超导材料力学 性能差、不易 加工。其次，产氚包 层是聚 变堆 实现氚自 持和发 电的堆 芯核 心部件之 一，目 前的优势氚增 殖剂材 料填充 率有 限及无法 自由调 控，从 短期 来看，完 全适应 和支撑 核聚 变反应的 关键材 料存在短板。工程层面：美国 NIF 选择 惯 性约束路 线多 次 实现可 控核 聚变 Q 值（核聚 变释放 能量 与消耗能 量之比）大于 1，但转 换效率 极低。例如四次 成功点 火中 Q 值最 大的为第 二次点 火，激 光输 入 2.05MJ 能 量，产生 3.88MJ 能力，Q 值 仅为 1.89，从科学 层面 可行到 工 程和商业 层面可 行任重 道远。中国科 学技术 大学有关专家 判断，Q 值至 少需 达到 10 以上 才有 商用意 义，中核集 团则认 为至少 要超 过 30。据国 防科工 局有关人士 研判，Q 值至 少达 到 4 至 6 才能将 聚变转 化为 稳定的电 力输出。2.2017 年开 始，私 营核聚 变 公司蓬勃 发展。根据 Fusion Industry Association 统计，开展核 聚变企 业主要以私营企 业为主，在 2023 年募集资 金占比 中，私 营企 业占比达 95.6%，公司数 量 方面，2017 年仅 有 5家，到 2023 年接近 50 家，2017-2023 年公司 数量 增 速 CAGR 达 46.8%。其 中美 国有 25 家，占 比接近50%，是行 业发展 的主导 市 场。16/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 下游主要 目标市 场为发 电。根据 Fusion Industry Association 对 私营核 聚变企 业的 调查问卷 数据，在主要目标市 场选项，有 45.8%的核聚变 私营企 业的主 要目 标市场是 发电，其次为 工业 加热，占 比为 15.2%，在潜在和 衍生市 场方面，清 洁能源和 工业加 热占比 相同，均为 20.3%。3.私营核聚 变公司 对于核 聚变 可用于并 网和商 业化时 间主 要位于 2030-2040 年。根 据 Fusion Industry Association 对私 营核 聚变 企业的调 查问卷 数据，在期 待公司能 够利用 可控核 聚变 并网时间 选项，70%的受访企业 认为 2030-2040 年能够实 现，在 预计可 控核 聚变低成 本和高 效率的 用于 商业化时 间选项，有65%的受访 企业选 择 2031-2040 年，这个时 间比我 国 2050 年完 成第一 座用于 商 业 发电的原 型聚变 电站（PFPP）的建设的 时间要 更提前，私营核 聚变企 业对 于可控核 聚变发 展更为 乐观 自信。4.目前世界 多国正 在单独 或联 合进行聚 变能的 研究。根据 国际原子 能机构 数据，截至 2022 年 年底，全世界约有 130 个 国有或 私营 实 验性聚变 装置，其中 90 个 正在运行，12 个在建，28 个处于计 划中。从装置类型角度 分为 76 个托卡 马 克、13 个仿 星器、9 个 激光 点火设施 以及 32 个新 概念 装置。国际热 核聚变实验堆（ITER）计划 是全 球规模最 大、影 响最深 远的 国际科研 合作项 目之一，2006 年，中国、欧盟、美国、俄 罗斯、日本、韩国 和印度七 方成员 国签署 协定，计划全 面启动。这七 方包 括了全世 界主要 的核国家和主 要的亚 洲国家，覆 盖的人口 接近全 球一半。但 70 年间一 直困扰 核聚变 研 究的是以 现有技 术加热并控制 等离子 体需要 巨大 能量，大 到入不 敷出，即输 入的能量 总是高 于产生 的能 量。17/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告“净能量增益”的实 现，从 理论 上 验 证了 核 聚变 商 业化 的可 能 性。美东时间 2022 年 12 月 13 日，美国 能源部宣布 核聚变 点火 成功。其在 12 月一 次可控 核聚 变实验中 通过 2.05MJ 的能 量输入获 得 3.15MJ 的能量输出，换言 之，核 聚变 反应产生 的能量 首 次超 过聚 变点火输 入能量，实现 了能 量净增益。虽然 若将用来点火 的脉冲 激光能 量全 部计算在 内，其 装置总 和能 量转换比 率还不 足百分 之一；且要达 到支撑 民用电厂规模 的可持 续发电 能力，需要保 持每秒 至少 10 次 点火的工 程效率 要求，目前 也存在一 定差距，但它的确实 现了聚 变中产 生的 能量多于 用于驱 动它的 激光 能量，证 明了惯 性聚变 能的 最基本科 学基础。美国能源部 也将这 次点火 成功 视为 通向聚 变商业 发电 的里程碑 式技术 突破。商业资本 自 2021 年 始加速 进入可控 核聚变 领域。过往 核聚变研 究主要 由国家 机构 以及多个 国家间 的合作来主导，但自 2021 年始，私人资 本加速 进入可 控核 聚变领域。2021 年 11 月，OpenAI CEOSam Altman、PayPal 合创始 人 PeterThiel 等硅谷 名流和 风 投机构向 Helion 投 资了 5 亿美元。在 Helion 融资的一个 月后，从麻省 理工 学院独立 出来的 核聚变 创业 公司 Commonwealth Fusion Systems（CFS）宣布拿到比 尔 盖 茨、乔 治 索 罗斯、Google 等 30 位 富豪、公司或 机构超 过 18 亿美 元的融资，超过 之前所有核聚变 创业公 司融资 之和，甚至超 过美国 政府当 年给 核聚变研 究的经 费拨款。商 业化聚变 领域近 年来成立的创 业公司 数量迅 速攀 升至近 40 家，其 中近一 半 公司在过 去 5 年 间成立。这 些初创公 司也获 得大量的投资，仅在 2022 年一 年内就从 风投机 构获得 了约 50 亿美 元的资 金。18/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 5.AI AI 的突 破将对 核聚变 产业的 发展产生 重大影 响，或 显著 缩短其商 业化开 发周期。核 聚变研究 自身涉 及复杂的物理 过程和 海量的 数据，人工智 能可以 用来优 化实 验参数、开发更 准确的 等离 子体行为 模型。ChatGpt 今 年横空 出世也 让 人们对 AI 未来 的能力 产生 无限的遐 想。在 核聚变 过程 中，实现 高温高 压高速的等离 子体可 控是最 核心 的研发目 标。这 一过程 所涉 及的反应 参数众 多，环 境微 小的改变 就需要 整个系统的再 平衡。若能够 开发 出适合的 AI 模 型，并 向其 提供充足 的磁约 束控制 样本，再结合 策略网 络和价值网络，在熟 练掌握 控制 系统的训 练诀窍 之后，AI 不 用重新编 程也能 快速生 成各 种等离子 体的配 置方案，这会 大大缩 减实验 流程，减少重 复试验 次数，帮助 科学家和 工程师 更好地 利用 有限的实 验资源 来加速核聚变 的研究。在高 维参 数中快速 找到最 优解，这正 是人工智 能 的强 项和 本职 工作，同时可 控核聚变也是目 前 AI 相关商 业化 公司在未 来可以 大展身 手的 领域。6.比如在装 置材料 的研发 过程 中，为了 找到真 正适应 聚变 堆环境的 材料，需要进 行大 量的中子 辐照实 验，这就要求 制造大 量低成 本、高质量、符合聚 变标准 的中 子。对应 中子源 的研究 在全 球范围内 还处于 初级 19/29 2024 年 1 月 15 日 行业|深度|研 究报 告 阶段，而 中子源 作为核 聚变 的中间产 品可以 进行直 接商 业化输出，作为 用于核 医疗（如放射 治疗、医用同位素生 产）、中子照 相以 及核废料 处理的 高输出 紧凑 聚变中子 源。此 外，聚 变装 置可以作 为相 关 材料以及空间 航天领 域的研 发平 台；高能 的等离 子体也 可以 应用于科 研、医 学以及 农业 等相关领 域；在 这向人类终极 能源解 决方案 进军 的过程中，也必 将涌现 出更 多前沿且 具备商 业价值 的技 术与材料。政府研究 机构与 创业公 司在 可控核聚 变领域 的工作 已逐 渐开始分 化。国 家队研 究大 型托卡马 克装置，最终建造可 控核聚 变发电 站；而创业公 司试图 开辟新 的商 业模式，主攻小 型托卡 马克，先用较 低的成 本造出原型机，然后 不断迭 代，希望借助 工程手 段提高 性能，最终实 现商业 化发电。相 信在官方 与民间 资本的共同努 力，以 及技术 与商 业模式的 双重突 破下，可控 核聚变终 将打破 其 年悖 论，真 正为我 们人类所用。微软近日 已下 单 核聚 变商 业化发电 首单，约定 2028 年实现 50MW 的 电力供 应。根据财 联社报 道，核聚变初创 公司 Helion Energy 于当地 时间 2023 年 5 月 10 日宣 布，已 经跟微 软签署 合作协议，后者 将同意从 Helion Energy 公 司购 买第一座 核聚变 发电站 的电 力，其最 快将在 2028 年实 现商业发 电，且 对赌协议规定 了若未 能如期 实现 所触发的 经济惩 罚。Helion Energy 是 第一家 实现超过 1 亿摄氏度 核聚变 的私营核聚 变公司。该公 司目 前正在建 设其首 个反应 堆项 目 北极 星，预 计最早 将于 2024 年成 为世界 上第一个展 示净发 电量的 聚变 发电机。根据参 考消息 网，Helion Energy 承诺 提供无 与伦比的 售电价 格：将发电成 本降低 到每千 瓦时 1 美分，其中未 计入可 能的 国家补贴。而美 国目前 的平 均发电成 本为每 千瓦时超过 10 美 分，并且其 中 计入了美 国政府 所提供 的可 再生能源 补贴。此外值 得一 提的是，Helion Energy 的 董事局 主席也 是 其最大的 投资人 为推出 ChatGpt 的 OpenAI CEO Sam Altman。1.68 全球超导 产品市 场规模 已达 68 亿欧元，随可 控核聚 变 产业的持 续发展，料将 为高 温超导材 料的持 续发展带来机 会。对 于目前 可控 核聚变主 流的磁 约束路 线，形成强大 的磁场 是实现 其反 应可控的 前提，而超导材料是 实现该 目标必 不可 少的一环。我国 在超导 强磁 场应用等 方面已 达到国 际先 进水平，根据Conectus 数 据，2012 年全 球超导产 品市场 规模为 51.9 亿欧元，2020 年 达到 64.6 亿欧元，且测算2022 年 该数 字达到 68 亿欧 元，2012-2022 年间 CAGR 达到 2.7%。可 控核聚 变的 商业化加 速，将 为相关材料带 来新的 投资机 会。2.根据中国 核能行 业协会，2022 年全国 运行核 电机组 装 机容量 5698 万千瓦，占全 国电力装 机总量 的2.2%，发 电量为 4177.8 亿 千瓦时，约占全 国总发 电量 的 4.7%，核 能发电 量达到 世界第二。我们 预计全国运行核 电机组 装机容 量至 2025 年达到 8500-9000 万 千瓦，我 国核电 累计发 电量 占全国累 计发电 量的比例达到 5.5-6%