2025.6.4可控核聚变行业观察

一、可控核聚变基础原理与技术路径

1. 核裂变与核聚变对比

• 核裂变：以铀 235 为例，原子核吸收中子后分裂为两部分，释放能量。燃料储量有限，如铀 235 预计可用 30 年，铀 238 可用 3×10¹⁴年。

• 核聚变：轻核（如氘、氚）聚合为较重核并释放能量。燃料来源丰富，氘可从海水中提取（储量足够使用 3×10¹⁷年），氚可通过锂与中子反应生成。

2. 能量平衡与关键指标

• 能量增益 Q 值：聚变输出能量与输入能量比值。

• 科学可行性门槛：QSci​=1（聚变放能 = 输入能量）。

• 工程可行性门槛：QEng​=1（输出电能 = 输入电能）。

• 商业化目标：DEMO 堆QEng​=5，第一代商业堆QEng​=10。

• 美国国家点火装置（NIF）进展：

• 2022 年首次点火：激光能量 2.05MJ，聚变能量 3.15MJ，Q=1.53。

• 2025 年 4 月第八次点火：激光能量 2.08MJ，聚变能量 8.6MJ，靶增益 4.13（创历史新高）。

3. 劳逊条件与聚变反应类型

• 劳逊判据：实现核聚变需满足温度（T）、密度（n）、约束时间（τ）三重积 n⋅T⋅τE​>1021m−3⋅s⋅keV。

• 主流聚变反应：

• D-T 反应（氘 - 氚）：最易实现，反应截面最大（对应温度约 10keV），劳逊条件要求最低。

• D-D 反应（氘 - 氘）：反应截面较小（对应温度约 500keV），难度较高。

• D-He³ 反应：需更高温度（约 100keV），无中子辐射，前景广阔但技术未成熟。

4. 技术路径：惯性约束与磁约束

• 惯性约束：

• 原理：利用激光或 Z 箍缩产生瞬时高压，压缩燃料至聚变条件。

• 代表项目：

• 美国 NIF：激光驱动，2025 年靶增益 4.13，计划 2030 年实现Q=10。

• 中国 “强光一号” Z 箍缩装置：电流 20MA，用于基础等离子体研究。

• 磁约束：

• 原理：磁场约束等离子体，维持长脉冲反应。

• 子路径：

• 托卡马克：主流方案，如 ITER（国际合作）、EAST（中国全超导装置）。

• 仿星器：无需等离子体电流，稳态运行优势显著，如德国 W7-X 装置（约束性能与托卡马克相当）。

• 球形环：结构紧凑，如美国 NSTX 装置（主半径 0.85m，等离子体电流 1MA）。

二、核聚变装置演进：从铜基到高温超导

1. 全球项目时间节点

• 2050 年关键目标：多数国家计划建成示范型反应堆（DEMO）并实现净发电。

• 主要国家进展：

• 中国：

• 2030 年建成聚变工程实验堆（CFETR），2050 年商用电站。

• 2025 年 “中国环流三号”（HL-3）实现电子温度 1.6 亿度、离子温度 1.17 亿度。

• 美国：NIF 装置 2025 年靶增益 4.13，私营企业 CFS 计划 2028 年建成 SPARC 堆（环向磁场 12.2T）。

• 欧盟：ITER 计划 2035 年启动氘 - 氚实验，2050 年 DEMO 堆并网。

• 日本：JT-60SA 装置（超导托卡马克）2020 年运行，目标等离子体电流 5MA。

2. 装置磁体技术演进

• 铜基磁体（早期装置）：

• 代表项目：

• 美国 TFTR（1982 年运行）：主半径 2.48m，中心磁场 5.2T，等离子体电流 2.5MA。

• 欧洲 JET（1983 年运行）：1997 年 D-T 反应Q=0.67，聚变能量 59MJ。

• 局限：能耗高，无法长脉冲运行。

• 低温超导磁体（液氮冷却，4K）：

• 材料：NbTi、Nb₃Sn。

• 代表项目：

• ITER：使用 Nb₃Sn 磁体，环向场磁体（TF）中心磁场 5.3T，等离子体电流 15MA，预计 2039 年氘 - 氚运行。

• 中国 EAST（2006 年运行）：全超导托卡马克，实现 1.2 亿度等离子体约束 400 秒。

• 高温超导磁体（液氮冷却，77K）：

• 材料：稀土钡铜氧（REBCO），临界温度 > 90K，磁场强度可达 20T 以上。

• 代表企业：

• 美国 CFS：SPARC 堆（2025 年预计建成），环向磁场 12.2T，目标Q=2。

• 中国星环聚能：CTRFR-1 装置（2025 年预计建成），环向磁场 3-5T，采用全高温超导磁体。

3. 典型装置参数对比

装置	类型	首次运行年份	主半径（m）	中心磁场（T）	等离子体电流（MA）	关键指标
TFTR（美国）	铜基托卡马克	1982	2.48	5.2	2.5	最长约束时间世界纪录（1983）
JET（欧盟）	铜基托卡马克	1983	2.96	3.45	4.8	1997 年Q=0.67（D-T 反应）
EAST（中国）	低温超导托卡马克	2006	1.85	3.5	1.0	1.2 亿度 / 400 秒约束
ITER（国际）	低温超导托卡马克	2033（预计）	6.2	5.3	15	Q=10，500MW 聚变能
SPARC（美国）	高温超导托卡马克	2025（预计）	-	12.2	-	紧凑设计，目标Q=2
W7-X（德国）	仿星器	2015	-	3.5	0（无等离子体电流）	约束性能与托卡马克相当

4. 中国近期进展

• HL-3 装置（中国环流三号）：

• 2020 年建成，主半径 1.78m，等离子体电流 2.5MA（可升级至 3MA），2025 年实现 “双亿度”（电子 1.6 亿度，离子 1.17 亿度）。

• BEST 项目：

• EAST 后续装置，2025 年 5 月提前启动总装，目标首次演示聚变能发电，杜瓦组件重 6000 吨，精度要求 ±0.1mm。

三、产业链分析：上游材料、中游构件与下游应用

1. 产业链结构

• 上游：原材料

• 超导材料：

• 低温超导：NbTi（用于 ITER 磁体）、Nb₃Sn（临界磁场 25T）。

• 高温超导：REBCO 带材（第二代高温超导，临界温度 90K 以上，上海超导、东部超导生产）。

• 特种金属：

• 钨（第一壁材料）：熔点 3422℃，抗中子辐照，中钨高新、安泰科技供应钨铜复合偏滤器。

• 不锈钢（316LN）：真空室材料，耐腐蚀性强。

• 中游：核心装置构件

• 磁体系统：

• 环向场磁体（TF）：约束等离子体主磁场，占 ITER 成本 28%（低温超导），DEMO 堆占比降至 12%（高温超导）。

• 极向场磁体（PF）：控制等离子体形状，中国 EAST 使用 NbTi 磁体，电流 14.5kA。

• 真空室：维持高真空（<10⁻⁶ Pa），ITER 真空室占比 8%，DEMO 堆通过 3D 打印钨基材料降至 2%。

• 偏滤器：承受最高热负荷（>10MW/m²），采用钨铜复合材料，安泰科技、国光电气供应。

• 下游：应用场景

• 科研装置：EAST、HL-3、NIF 等。

• 实验堆 / 工程堆：ITER（2035 年氘 - 氚实验）、CFETR（2030 年建成）。

• 商业堆：DEMO（2050 年目标）、私营企业项目（如星环聚能 CTRFR-1）。

2. 典型项目价值量拆分

组件	ITER 项目（低温超导）成本占比	DEMO 项目（高温超导）成本占比	技术差异影响
磁体系统	28%	12%	高温超导磁体体积缩小 50%，成本降低
真空室	8%	2%	3D 打印钨基复合材料 + 模块化设计
真空室内构件	17%	16%	包层、偏滤器材料优化
加热和电驱	8%	7%	射频加热效率提升
低温冷却系统	6%	5%	高温超导减少液氦消耗
建筑与安装	15%	14%	紧凑设计降低基建成本
合计设备成本	72%	55%	商业化导向下效率显著提升

3. 国内产业链相关公司

环节	公司	产品 / 技术	应用场景
上游材料	上海超导	第二代高温超导带材（REBCO）	高温超导磁体
	中钨高新	抗辐照钨基合金、钨铜复合偏滤器	第一壁、偏滤器
	应流股份	中子吸收材料（高硼钢、钨硼钢）	辐射屏蔽模块
中游设备	西部超导	ITER 用 Nb₃Sn 超导磁体	低温超导托卡马克
	联创光电	高温超导磁体（磁场强度 > 10T）	商业堆磁体系统
	合锻智能	真空室模块化制造（焊接精度 ±0.05mm）	ITER、CFETR 真空室
	国光电气	偏滤器热氦检漏设备	泄漏检测
下游应用	星环聚能	三角球形托卡马克 NTST（2025 年预计建成）	商业聚变实验
	能量奇点	洪荒 70 全高温超导装置（磁场 0.6T）	等离子体约束研究

四、国际合作与竞争格局

1. ITER 计划：全球最大核聚变合作

• 参与方：欧盟（45%）、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯、印度（各 9%）。

• 目标：

• 2035 年实现氘 - 氚反应，Q=10，聚变功率 500MW。

• 验证氚自持循环（锂包层产氚效率 > 80%）。

• 成本与进度：

• 初始预算 63 亿美元（2006 年），当前超 220 亿美元，2023 年完成土木建设，2039 年氘 - 氚运行。

2. 私营企业崛起

• 美国：

• CFS（联邦聚变系统）：获微软投资，SPARC 堆目标 2028 年发电，采用 REBCO 磁体，磁场 12.2T。

• Helion Energy：与微软签订 2028 年供电协议，聚焦 D-³He 反应（无中子辐射）。

• 中国：

• 星环聚能：2023 年完成 1 亿元融资，CTRFR-1 装置计划 2025 年实现Q>1。

• 能量奇点：“洪荒 70” 装置 2024 年运行，目标 2030 年商业堆落地。

• 英国：

• Tokamak Energy：Demo4 装置（磁场 18T）2024 年建成，计划 2030 年电网供电。

3. 技术竞争焦点

• 磁体技术：高温超导（REBCO） vs. 低温超导（Nb₃Sn），前者磁场强度更高、成本更低。

• 燃料循环：D-T 反应（成熟但需氚增殖） vs. D-D 反应（燃料易得但技术难度大）。

• 商业化路径：政府主导大科学工程（如 ITER） vs. 私营企业快速迭代（如 CFS）。

五、风险与挑战

1. 技术成熟度风险：

• 惯性约束的能量转换效率（NIF 激光能量利用率 < 1%）、磁约束的材料耐辐照性（ITER 要求材料耐辐照 50dpa，当前仅达 3-5dpa）。

2. 成本与进度风险：

• ITER 多次延期（原计划 2016 年运行，现推迟至 2039 年），私营企业需解决从实验堆到商业堆的工程放大问题。

3. 政策与资金风险：

• 政府资助波动（如美国曾取消 ITER 参与计划），商业融资依赖长期能源政策支持。

六、数据附录

1. 聚变反应能量释放对比

反应类型	能量释放（MeV）	燃料来源	当前技术成熟度
D-T	17.58	氘（海水）、氚（锂包层）	工程验证阶段
D-D	3.27/4.03	氘（海水）	实验室阶段
D-³He	18.34	氘（海水）、³He（月球资源）	理论研究阶段

2. 超导材料临界温度发展

• 低温超导：

• NbTi：临界温度 9.5K（1962 年发现）。

• Nb₃Sn：临界温度 18K（1954 年发现）。

• 高温超导：

• YBCO（钇钡铜氧）：临界温度 92K（1987 年发现）。

• 镧氢化物（LaH₁₀）：临界温度 250K（170GPa 高压，2020 年发现）。

3. 各国 DEMO 堆时间线

国家 / 地区	DEMO 堆名称	启动建设时间	预计并网时间	技术路线
中国	CFETR	2030 年	2050 年	低温超导托卡马克
美国	ARC	2035 年（预计）	2040 年（预计）	高温超导托卡马克
欧盟	DEMO	2035 年（预计）	2050 年	低温超导托卡马克
韩国	K-DEMO	2037 年	2050 年后	超导托卡马克