相關研究報告中銀國際證券股份有限公司具備證券投資咨詢業務資格機械設備證券分析師：陶波bo.tao@證券投資咨詢業務證書編號：S13005200證券分析師：曹鴻生hongsheng.cao@bocichina.c證券投資咨詢業務證書編號：S130052302025年4月可控核聚變行業深度報告長時間以來，可控核聚變被視為解決人類能源危機的終極方案，卻因實現技術難度大而遙不可及，隨著高溫超導材料、人工智能等技術的突破，正持續推動可控核聚變商業化進展，商業化漸行漸近，產業鏈有望進入快速發展時期。支撐評級的要點n核聚變被視為人類理想的終極能源，其中托卡馬克裝置最具商業化潛力。核聚變是幾個較輕的原子核結合成一個較重的原子核,實現將質量轉化為能量的過程，由于氘-氚反應實現難度相對最低，成為目前聚變燃料最普遍的選擇。核聚變因其燃料資源豐富、能量密度大、清潔無污染、安全性高等突出的優點，被視為人類理想的終極能源。目前，磁約束聚變能量約束時間長、技術成熟度高、工程可行性強，是實現聚變能開發的最有效途徑，其中又以托卡馬克裝置最為成熟，是目前最有可能首先實現商業化的技術路線。根據IAEA的統計，截至2024年中，全球共有159個核聚變項目，其中托卡馬克裝置79個，占比接近50%。n目前已進入工程可行性驗證階段，中國在可控核聚變領域處于國際先進水平。20世紀90年代，可控核聚變的科學可行性已經被托卡馬克裝置證明，目前已進入工程可行性驗證階段，全球最大的由美國、中國、歐洲等35個國家共同參與建造的托卡馬克裝置ITER，其目的就是解決可控核聚變投資產業化運行前的各種工程化問題。我國聚變研究開始于20世紀50年代，基本與國際同步，通過多年的持續投入和不懈努力，中國已經建成的EAST、環流三號等裝置，取得了一系列重要成就，中國的可控核聚變研究在國際上已處于非常先進的水平。n高溫超導、人工智能等新技術的突破，助力可控核聚變商業化加速實現。隨著近年來高溫超導技術的成熟，大幅提升聚變裝置性能的同時成本持續下降，疊加AI超預期發展對聚變裝置設計和控制效率的提升，加快了可控核聚變商業化落地的預期，從而帶動更多高校、研究機構和私人資本入局。根據聚變行業協會（FIA）的統計，截至2024年中，全球私營聚變商業公司已累計獲得的總投資額達到71.2億美元，同比增加9億美元，資本市場融資屢創新高，參與的公司數量超過45家，公司數量快速增加。在FIA另外的一個統計中，超過70%的商業核聚變公司認為在2035年前將實現并網供電，超過50%的公司認為2035年將滿足商業化運行的低成本/高效率的條件。n可控核聚變有望帶來龐大市場，產業鏈或將充分受益。聚變項目投資大，聚變電站造價高昂，根據普林斯頓大學的研究人員測試，一座1000MW的核聚變電廠成本在27億美元到97億美元之間，若核聚變完全商業化，根據IgnitionResearch的預計，到2050年將成為一個至少1萬億美元的市場，可控核聚變潛在市場規模龐大。目前可控核聚變的產業鏈主要圍繞托卡馬克裝置展開，未來隨著可控核聚變商業化進程的推進，產業鏈或將進入快速發展期而充分受益。估值n隨著技術的不斷突破，可控核聚變商業化漸行漸近，產業鏈或將進入快速發展期而充分受益，建議關注具備托卡馬克裝置核心零部件制造能力和已獲得相關訂單的上市公司，推薦合鍛智能、聯創光電、西部超導、安泰科技，建議關注國光電氣、永鼎股份、精達股份、海陸重工等。評級面臨的主要風險n技術進展不及預期風險；技術路線更替的風險；資金投入不及預期的風險；行業政策不及預期的風險；相關項目進展不及預期的風險。2025年4月10日可控核聚變行業深度報告2 核聚變優勢顯著，被視為人類理想的終極能源 6磁約束是實現聚變能開發的有效途徑，托卡馬克是主流裝置 9 世界各國積極探索，目前已進入工程可行性驗證階段 我國可控核聚變研究與國際同步，部分技術已處于國際領先地位 超導、AI等新技術不斷突破，助力可控核聚變商業化加速實現 21 聚變堆及電站的造價高昂，有望帶來龐大市場 25產業鏈有望充分受益，關鍵部件國產化發力國際領先 28 合鍛智能 36聯創光電 43西部超導 50安泰科技 572025年4月10日可控核聚變行業深度報告3 6 7 7 8 8 9 9 9 10 10 12 13 13 14 14 14 14 15 15 16 16 16 17 18 19 19 19 20 20 20 21 21 212025年4月10日可控核聚變行業深度報告4 22 22 23 24 24 24 25 25 26 27 27 27 28 29 30 30 30 31 31 31 32 32 32 33 33 37 37 38 38 39 39 39 39 40 41 41 44 442025年4月10日可控核聚變行業深度報告5 45 45 46 46 46 46 47 48 48 51 51 52 52 53 53 53 53 54 54 58 58 59 59 60 60 60 60 61 61 622025年4月10日可控核聚變行業深度報告6可控核聚變，人類理想的終級能源解決方案核聚變是指輕原子核結合成更重的原子核，同時釋放出巨大能量的過程。根據國際原子能機構定義，核聚變是兩個或多個較輕的原子核聚合成一個或多個較重的原子核和其它粒子的反應。在核聚變過程中，反應前后的質量會發生微小的虧損，根據愛因斯坦的質能方程（E=mc2這部分虧損的質量會轉化為能量釋放出來。以經典的氘-氚聚變為例，一個氘核（H）和一個氚核（H）結合成一個氦核（He）和一個中子（n），同時釋放出17.6MeV的能量，中子以動能形式攜帶了約80%的能量，這些能量可以被捕獲并轉化為熱能用來發電，其反應公式可表示如下：H+H→He+n+17.6Mev圖表1.氘-氚核聚變的基本原理實現可控的核聚變需要滿足高溫、高壓等苛刻的反應條件。氫彈作為武器已實現了不可控核聚變，但要作為能源使用，就必須實現能量可控制地緩慢釋放，核聚變需要苛刻的反應條件，其中有3個條件最為關鍵：溫度：聚變反應需要氘和氚原子核直接碰撞，這對于都帶正電荷的兩個原子核來說是十分困難的。溫度是微觀粒子熱運動的宏觀表現，溫度越高粒子所攜帶的動能也就越大，溫度高到一定程度時，氘和氚核才可以克服巨大的庫倫勢壘實現接觸并發生融合反應；粒子密度：較高的等離子體密度也至關重要，它可以增加粒子之間的碰撞頻率，從而大大提高聚變反應發生的概率；約束時間：為了實現有效的核聚變，等離子體還需要在高溫和高密度的狀態下保持足夠長的時間，即具備一定的能量約束時間。較長的約束時間能夠確保聚變反應持續穩定地進行，源源不斷地產生能量。因此，等離子體溫度、粒子密度和約束時間的乘積必須大于某個特定值，才能產生有效的聚變功率，從而實現核聚變反應的持續進行，這三者的乘積被稱為“勞遜判據”，是判斷核聚變反應是否能夠自持并產生凈能量的重要條件之一。2025年4月10日可控核聚變行業深度報告7圖表2.獲得核聚變反應的三要素此外，Q值（Q-Value）也是衡量核聚變反應效率以及可行性的重要參數。盡管滿足勞遜判據是觸發核聚變的基本條件，但要實現商業上的可行性，僅僅達到這個標準還不夠，關鍵在于聚變反應釋放的能量必須大于維持聚變所需要的輸入能量，核聚變裝置輸出能量與輸入能量之間的比值被稱為Q值，Q值越高，表明核聚變反應越有效率。當Q值大于1時，說明聚變輸出的能量超過了輸入能量，但是如果輸出效率低，成本過高，則依然難以商用，一般認為一個商業聚變堆的Q值至少需要達到10。在理想條件下，如果Q值可以無限增大，則意味著系統在一次“點火”后釋放出的能量足夠支持核聚變自持續進行，無需外部能量輸入。氘-氚反應實現難度相對最低，成為聚變燃料最普遍的選擇。除了經典的氘-氚聚變之外，還有氘-氘聚變、氘-氦-3聚變、質子-硼-11聚變等。從物理特性來看，氘-氚聚變的截面較大，即在同等溫度和密度環境下，氘核和氚核碰撞并融合的概率更高；從技術實現方面來講，氘-氚反應的點火溫度相對較低，大約在1億攝氏度左右，相較于其他核聚變反應，這一溫度更容易達成。根據FIA在《TheGlobalFusionIndustryin2024》中的調查顯示，截至2024年中，參與調查的核聚變商業公司中，氘氚聚變反應占比超過68%，是當前最主要的核聚變反應形式。圖表3.不同核聚變燃料的核聚變反應特點燃料獲取高H+H→H+H+4.03Mev中低H+1B→3He+8.7Mev硼-11儲量豐富2025年4月10日可控核聚變行業深度報告8圖表4.三種典型聚變反應的三重積核聚變具備燃料豐富、能量密度大、清潔、安全性高等突出優點，被視為人類理想的終極能源：燃料資源豐富：核聚變的主要燃料氘可以從海水中提取，地球上海水中的氘儲量相當豐富，每升海水中含有約0.03克氘，所以地球上僅在海水中就約有45萬億噸的氘；氚雖然自然界中不存在，但可以通過中子與鋰作用產生，而鋰在地殼和海洋中的儲量也較為豐富。所以從某種意義上說，聚變原料幾乎是無限的，具備成為未來全球能源結構主要組成部分的條件；能量密度大：單位質量核聚變釋放的能量遠高于其他形式的能源，以100萬千瓦的電站一年所需燃料為例，傳統的燃煤電廠需要大約200萬噸煤，燃油電廠需要約130萬噸燃油，核裂變電廠需要約30噸UO2，而核聚變燃料氘的消耗大概0.6噸；清潔環保：氘氚核聚變反應的產物是惰性氣體氦，不產生高放射性、長壽命的核廢物，也不會產生有毒有害氣體或者溫室氣體；安全性高：由于可控核聚變所需的上億度高溫和復雜磁場等苛刻條件，一旦反應堆出現問題，聚變反應會立即停止，不會出現“失控”鏈式反應，從而具有固有安全性。圖表5.不同能源類型的特點低中低低源響高高響高高高高高高險 2025年4月10日可控核聚變行業深度報告9核聚變的約束方式主要有引力約束、慣性約束和磁約束三種方式。達到聚變條件后，還要對高溫聚變物質進行約束，以實現長脈沖穩態運行，即延長可控聚變反應時間，從而獲得持續的核聚變能。在核聚變反應過程中燃料通常被加溫到1億攝氏度以上，鑒于如此高的溫度，唯有通過特定的場約束技術，才有可能實現對熱核聚變燃料的有效約束，實現可控聚變約束有三種途徑，即引力（重力）約束、慣性約束和磁約束。圖表6.聚變約束的三種途徑引力約束是恒星內部核聚變反應的主要約束方式，目前在地球上無法實現。恒星自身質量巨大，巨大的質量產生強大的引力，將氫原子核等物質緊緊地束縛在一起，這種強大的引力克服了原子核之間由于帶有相同電荷而產生的靜電斥力，使得原子核能夠靠近到足夠近的距離，從而在高溫高壓的環境下發生核聚變反應。這種約束方式依賴天體的超大質量，是一種天然存在的熱核聚變反應堆，然而由于人類無法在滿足足夠小體積的條件下制造出如此大質量的物體，因此以人類現階段的技術手段尚無法在地面上制造出可以實現引力約束核聚變的反應裝置。慣性約束是一種利用粒子的慣性來實現核聚變的方法，需要大量的能量輸入和精密的控制技術。慣性約束通常采用高能量的激光或粒子束將燃料加熱和壓縮為等離子體，在自身慣性作用下，等離子體在極短的時間內來不及向四周飛散，在此過程中被壓縮至高溫、高密度的物理狀態，從而發生核聚變反應。這種約束方式約束的時間尺度較短，形成的等離子體具有較高的溫度和密度等特征參數，需要大量的能量輸入和精密的控制技術，其中美國的國家點火裝置（NIF）和中國的神光系列研究裝置都是具有代表性的慣性約束核聚變研究裝置。圖表7.太陽發光發熱的能量來源是引力約束核聚變圖表8.慣性約束核聚變原理示意圖2025年4月10日可控核聚變行業深度報告10磁約束聚變能量約束時間長、技術成熟度高、工程可行性較強，是目前實現聚變能開發的最有效途徑。由于帶電粒子在磁場中趨向于沿著磁力線運動，而橫跨磁力線的運動將會受到限制，這時的磁場可以起到約束帶電粒子的作用。磁約束核聚變通過加熱等外部手段將燃料溫度提升，極高的溫度使得燃料完全電離形成等離子體，然后采用特殊結構的磁場形式把燃料離子和大量自由電子組成的處于熱核反應狀態的高溫等離子體約束在有限的體積內，使之受到控制地發生核聚變反應，并在此過程中釋放出能量。增強磁場可以大幅度地減小帶電粒子橫越磁力線的擴散和導熱特性，使處于磁場中的高溫等離子體與反應容器的壁面隔開，從而保護壁面不受高溫侵襲。[1]由于磁約束的能量約束時間長、技術成熟度高、工程可行性較強的特點，在可控性、經濟性和商業化前景上相比其他約束方式更具有明確的優勢，因此被認為是目前最有希望實現大規模受控核聚變反應的一種約束方式，根據IAEA的統計，截至2024年11月，全球共有159個核聚變項目，其中采用磁約束方式的托卡馬克裝置和仿星器裝置共102個，占比超過60%。圖表9.磁場約束帶電粒子運動示意圖圖表10.磁約束是目前主流的聚變約束方式全球可控核聚變裝置占比情況（截至2024年11月）其他其他28.3%托卡馬克49.7%激光慣性約束7.5%仿星器14.5%基于磁約束原理的托卡馬克裝置逐步在核聚變研究領域占據主導地位。基于磁約束的基本原理，發展出了托卡馬克、磁鏡、仿星器、球形托卡馬克、直線箍縮、環箍縮等多種類型磁約束核聚變裝置，其中托卡馬克裝置因其具有高效的等離子體約束和穩定的平衡能力，并且工程上設計建造相對簡單、運行維護方便，經過多年研究發展技術成熟且有多次成功的實驗驗證，再加上廣泛的國際合作和強大的研究基礎，逐步成為目前主流的核聚變裝置。托卡馬克（Tokamak）由蘇聯科學家在20世紀50幾個詞組成，因其工作中會產生環形等離子體電流，所以也被稱為環流器。托卡馬克的形狀酷似一個“甜甜圈”，擁有一個環形真空室，環形中心是一個鐵芯變壓器，通過變壓器初級線圈電流的變化產生磁場，從而在環形真空室內形成等離子體電流并加熱等離子體。真空室外有不同方向的線圈，分別產生環向和縱向的磁場，真空室內形成的環形等離子體電流則會提供極向磁場，最終形成環形螺旋狀磁場，將等離子體約束在真空室中心。2025年4月10日可控核聚變行業深度報告11托卡馬克裝置已被實驗證明具備科學可行性，目前最有可能首先實現商業化。在20世紀90年代,歐盟的JET、美國的TFTR和日本的JT-60這三個大型托卡馬克裝置在磁約束核聚變研究中獲得許多重要成果，等離子體溫度達4.4×108K,這一溫度大大超過氘氚反應的點火的要求；在氘氚粒子密度為1:1的實驗中,脈沖聚變輸出功率超過16.2MW；聚變輸出功率與外部輸入功率之比Q等效值超過1.25。這些實驗的成功,初步證實了基于氘氚的磁約束聚變途徑作為核聚變反應堆的科學可行性,同時表明托卡馬克是最有可能首先實現聚變能商業化的途徑。圖表11.托卡馬克裝置示意圖圖表12.托卡馬克是目前主流的核聚變裝置（單位：個）02021年2022年2023年2024年11月圖表13.不同類型聚變反應裝置的特點束他手段快速壓縮聚變料，以觸發聚變反應壓比值(β值）等低本JT-60、美國TFTR中國準環對稱仿星器測試平臺2025年4月10日可控核聚變行業深度報告12托卡馬克裝置的主要部件包括真空室（VacuumVessle）、磁體（Magnets）、包層模塊（Blankets）、偏濾器（Divertor）、真空杜瓦（Cryostat）5個部分，另外還有真空系統、低溫系統、氚增值、電源診斷系統等支持系統。其主要部件的作用為：真空室：是一個重要的環形容器，其內部創造出一個高真空環境，以維持等離子體的存在。等離子體在這樣的環境下不會與任何物質接觸，從而減少熱損失并保持其超高溫狀態。真空室同時也承擔著支撐整個設施結構的作用；磁體系統：由多個線圈組成，其中包括托卡馬克的標志性環向場線圈和中央螺線管，這些線圈產生強大的磁場，用來穩定和控制沸騰狀態的等離子體，防止其接觸到任何實體表面，此外外側的極向場線圈用以進一步控制等離子體，確保其均勻分布并維持在中心；包層模塊：位于真空室內側，主要作用是隔熱和輻射屏蔽，保護結構免受熾熱等離子體產生的高熱和中子輻射的傷害，未來的增殖包層還將有助于氚的生成；偏濾器：處于托卡馬克裝置的底部，功能類似于“煙灰缸”，負責從等離子體中清除雜質和廢物，從而保持整個環境的純凈和等離子體的穩定；真空杜瓦：圍繞著整個托卡馬克裝置的外殼，為內部組件提供額外的保溫效果，確保設施內部在適宜的溫度下運行，同時也支撐整體結構。圖表14.托卡馬克裝置的主要組成部分（以ITER為例）聚變-裂變混合堆結合了聚變能和裂變能的優勢，同樣具備商業化潛力。核聚變-裂變混合堆是一種利用核聚變和裂變過程相結合來生產核燃料及發電的方法，是一種次臨界能源堆芯，其核心思想在于使用氘-氚聚變反應堆產生的高能中子，來激發聚變反應式外的鈾-238或釷-232（這兩個元素被認為是核廢料）這類非易裂變材料的裂變，生成的钚-239或鈾-233在熱中子作用下進一步裂變，從而釋放巨大能量并輸出大量中子。裂變能量以熱的形式被導出用于發電，輸出的中子輸運到產氚包層內與鋰-6反應產生氚，補充聚變消耗，實現聚變燃料自持。因為所用的裂變材料本身熱中子區不可維持鏈式反應，故這種裂變在熱堆不會自發臨界，因此聚變-裂變混合堆在安全性、經濟性、能源優化利用以及環境影響方面具有獨特的優勢，被認為是目前最具商業化機會的堆型之一，也被視為純聚變堆真正應用前的“過渡”堆型。目前國際上主要的混合堆項目有中國“星火一號”、中國Z箍縮驅動聚變裂變混合能源堆（Z-FFR）、韓國聚變嬗變反應堆（FTR）等。2025年4月10日可控核聚變行業深度報告13圖表15.聚變-裂變混合堆的物理設計示意圖圖表16.聚變-裂變混合堆的相對優勢安全性更高2025年4月10日可控核聚變行業深度報告14世界各國積極探索，商業化漸行漸近可控核聚變的科學可行性已被托卡馬克裝置證明，目前進入工程可行性驗證階段。核聚變產業的發展可以分為五個階段：科學理論、科學可行性、工程可行性、商業可行性與商業堆。自1934年澳大利亞物理學家奧利芬特（Oliphant）首次實現氘-氘核聚變反應以來，幾乎每個工業化國家都建立了自己的聚變物理實驗室，到20世紀50年代中期，核聚變裝置已在蘇聯、英國、美國、法國、德國和日本運行，通過在這些機器上的實驗，科學家們對聚變過程的理解逐漸加深。1968年，蘇聯取得了重大突破，其研究人員利用托卡馬克裝置，獲得之前從來沒有的溫度水平和等離子體約束時間，之后托卡馬克就逐漸成為了國際磁約束核聚變研究的主流設備，托卡馬克裝置的數量在全球范圍內快速增加。直到20世紀90年代，歐盟的JET、美國的TFTR和日本的JT-60這三個大型托卡馬克裝置在磁約束核聚變研究中獲得許多重要成果，包括等離子體溫度達4.4×108K,脈沖聚變輸出功率超過16.2MW，聚變輸出功率與外部輸入功率之比Q值超過1.25，這些實驗的成功證實了基于氘氚的磁約束聚變作為核聚變反應堆的科學可行性。圖表17.世界第一臺托卡馬克裝置T-1圖表18.目前世界上最大的在運行托卡馬克裝置JT-60SAITER是全球最大的國際熱核聚變實驗堆合作項目之一，旨在驗證磁約束聚變能的工程技術可行性。ITER計劃（國際熱核聚變實驗堆計劃，InternationalThermonuclearExperimentalReactor）是1985年由美蘇首腦倡議、國際原子能機構IAEA支持的超大型國際合作項目，實驗堆位于法國南部，ITER的目標是從等離子體物理實驗研究實現到大規模電力生產的核聚變發電廠的轉變，ITER建成后將成為世界上最大的托卡馬克裝置。ITER的主要科學目標是，第一階段通過感應驅動獲得聚變功率大于500MW、Q值大于10、脈沖時間500s的燃燒等離子體；第二階段，通過非感應驅動等離子體電流，產生聚變功率大于350MW、Q值大于5、燃燒時間持續3000s的等離子體，研究燃燒等離子體的穩態運行，如果約束條件允許，將探索Q值大于30的穩態臨界點火的燃燒等離子體(不排除點火)。ITER項目科學目標的實現將為商用聚變堆的建造奠定可靠的科學和工程技術基礎。圖表19.ITER項目的托卡馬克裝置示意圖圖表20.ITER托卡馬克裝置的主要參數2025年4月10日可控核聚變行業深度報告15ITER項目由中國、美國、俄羅斯、歐洲等七方共同發起參與。ITER成員國包括中國、歐盟（通過歐洲原子能共同體EURATOM）、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國，這七方成員作為2016年締結ITER協議簽署方，將分擔項目建設、運營和退役的費用，同樣還共享實驗結果以及制造、施工和運營階段產生的任何知識產權，其中歐洲承擔了最大的建造成本（45.6%），其余部分由中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國平均分配（各占9.1%）。圖表21.ITER項目的各國分工情況ITER目前仍處于建設當中，面臨技術挑戰進度有所推遲、預算上漲。ITER的基礎建設開始于2010年，原計劃于2025年完成建設并正式開始等離子體試驗，并在2033年實現全等離子體流，而根據ITER理事會在2024年6月發布的最新版項目時間表，由于新冠肺炎全球的流程和部分部件面臨的技術挑戰，項目的建設進度進一步推遲，計劃于2034年開始研究操作（StartofResearchOperation，SRO并在2039年開始氘-氚反應，較原計劃推遲4年。另外，根據2001年最初的設計，ITER項目預計的總投資額為50億歐元，但是隨著設計的更改、施工成本的上升，其預算也提高到了200億歐元。圖表22.ITER項目時間線2025年4月10日可控核聚變行業深度報告16除了托卡馬克裝置以外，激光慣性約束和仿星器的技術路線也取得了較大進展。在參與ITER計劃之外，各國也進行了獨立的研究，具有代表性的可控核聚變研究裝置包括中國EAST和HL-2M，美國TFTR和NIF、德國W7-X、歐洲JET等等，根據IAEA的統計，截至2024年11月世界范圍內聚變裝置達到159個，其中在運行的裝置有100個，在建設中的有14個，已規劃的有45個。這些裝置中除了托卡馬克以外，激光慣性約束和仿星器路線也取得了不錯的進展：美國國家點火裝置（NationalIgnitionFacility，NIF）是世界上最大的慣性約束聚變設施和最大的激光裝置，由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）于2009年2月建造完成，2022年12月NIF首次實現聚變點火，并且實現了凈能量增益（輸入能量為2.05MJ，輸出能量達到3.15MJ），隨后在2023年連續三次實現點火成功，并不斷刷新凈能量增益的記錄；位于德國的WandelsteinX-7是目前是世界上最大的仿星器裝置之一，該裝置在2015年10月完工，在2023年實現了1.3吉焦耳的能量周轉，放電持續了8分鐘，創下新的記錄。圖表23.全球核聚變裝置數量及狀態分布圖表24.美國國家點火裝置（NIF）布局示意圖圖表25.德國Wendelstein7-X仿星器結構示意圖2025年4月10日可控核聚變行業深度報告17我國聚變研究開始于20世紀50年代，基本與國際同步。早在1955年，錢三強和李正武等一批具有遠見卓識的科學家，便提議開展中國的“可控熱核反應”研究，以探索核聚變能的和平利用；1958年,位于北京的401所（現中國原子能科學研究院)及中國科學院物理研究所等科研單位陸續開展磁約束可控核聚變研究，先后設計研制建造了包括脈沖磁鏡、仿星器、角向箍縮裝置和托卡馬克等類型各異的磁約束聚變研究裝置；1972年，受到蘇聯T-3托卡馬克裝置的啟發，合肥中科院物理所開始小型托卡馬克裝置的建設，取名CT-6，意思是“中國托卡馬克”。總體來說，從20世紀50年代的起步到80年代，更加專注于理論基礎研究及對各個技術路線的實驗，屬于“小規模多途徑”的初步探索的階段。從80年代開始，在核能發展“三步走”路徑的明確指引下，我國聚變能源的研究步入了快速成長的黃金時期。1983年，原國家計委、國家科委聯合召開“核能發展技術政策論證會”，首次提出我國核能“熱堆-快堆-聚變堆三步走”的發展戰略，在國家核能“三步走”發展路徑的指引下，我國的聚變科學研究也步入了快速發展的快車道。1984年，在四川樂山建成的中國環流器一號（HL-1），是中國核聚變研究史上的重要里程碑，這是中國核聚變領域的第一座大科學裝置。后續建成了中國第一個超導托卡馬克裝置HT-7、中國第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置中國環流器二號A（HL－2A世界上第一個全超導非圓截面托卡馬克裝置東方超環（EAST）。21世紀以來，我國核聚變實現不斷突破，已具備引領全球核聚變發展的潛力。通過多年的持續投入和不懈努力，中國在核聚變領域取得了一系列重要成就，中國可控核聚變研究在國際上已處于非常先進的水平。EAST裝置自2006年建成運行以來，等離子體運行次數超過15萬次，不斷刷新托卡馬克裝置高約束模運行新的世界紀錄，在2012年實現30秒高約束模，2016年實現60秒高約束模，2017年實現101秒高約束模，2023年實現403秒高約束模，2025年實現1066秒高約束模，在穩態等離子體運行的工程和物理上始終保持國際引領。此外，中國環流三號（HL-3）在2023年8月25日，宣布首次實現100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行。并且在這一時期，能量奇點、新奧集團、星環聚能等民營企業和民間資本陸續成立和加入可控核聚變的開發，中國在可控核聚變領域的研究正在加速前行。圖表26.中國可控核聚變發展歷史2025年4月10日可控核聚變行業深度報告18目前在核聚變領域初步形成了西物院和等離子體所牽頭，多家商業公司積極參與的格局。我國的核聚變研究以核工業西南物理研究院和中科院等離子體物理研究所這兩大科研機構為核心，都是我國較早致力于可控核聚變和等離子體物理研究的專業科研院所，分別依托“中國環流系列”和“東方超環（EAST）”,推動核聚變的基礎研究和技術研發。與此同時，2020年之后國內也涌現了多家商業公司，包括聚變新能、中國聚變能源、新奧能源、能量奇點、星環聚能等等，均都獲得了數億元的融資，這些商業公司的畫像以高校與科學家為主，大多采用“科研院所+商業公司”的協同模式，未來有望憑借其靈活的市場機制和創新能力，在推動核聚變技術應用和商業化方面扮演著重要角色。圖表27.我國參與可控核聚變的機構與公司隸屬于中國核工業集團有限公司:室及水電部電力科學院熱工二室合熱核反應研究實驗站”聚變新能院等離子體物理研究所磁約束核聚變領域BEST托卡馬克括蔚來系、合肥產投、皖能股份、中國控核聚變創新聯合體在四川成都宣布成//林斯頓、北大、清華、中科院、上海交大等全高溫超導托卡已完成種子輪和Pre-A輪融中國根據自己的國情，制定了中國磁約束聚變能發展路線圖。為了盡早地實現可控聚變核能的商業化，充分利用我國現有的托卡馬克裝置和資源，制定了一套完整的符合我國國情的中國磁約束聚變發展路線示意圖。中國磁約束聚變能的開發將分為3個階段：第一階段，力爭在2025年推動中國聚變工程試驗堆立項并開始裝置建設；第二階段，到2035年建成中國聚變工程試驗堆，調試運行并開展物理實驗；第三階段，到2050年建成商業聚變示范電站。其中，CFETR將著力解決一系列存在于ITER和DEMO之間的科學與技術挑戰，包括實現氘氚聚變等離子體穩態運行，公斤級氚的增殖、循環與自持技術，可長時間承受高熱符合、高中子輻照的第一壁和先進偏濾器材料技術等。合肥綜合性國家科學中心的“十三五”重大科技基礎設施“聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施”項目正在建設中，將瞄準聚變堆主機關鍵系統設計研制，建設國際一流開放性綜合測試和研究設施，這為中國掌握未來聚變堆必備的關鍵工程技術創造了有利條件。2025年4月10日可控核聚變行業深度報告19圖表28.中國磁約束聚變發展路線圖CFETR將為未來示范堆和商業堆的建造積累工程技術經驗。中國聚變工程試驗堆（CFETR）是我國自主研制并聯合國際合作的重大科學工程，于2017年12月5日在合肥正式啟動工程設計，計劃2035年建成工程實驗堆，CFETR將直接為DEMO示范堆和未來商業堆的建造積累工程技術經驗。CFETR裝置的大半徑R=7.2m，小半徑a=2.2m，將分2個階段運行，第一階段的目標是實現50-200MW的聚變功率，聚變增益Q=1-5，氚增值率TBR>1.0，中子輻照效應約10dpa；第二階段的目標是聚變功率>1GW，聚變增益Q>10，在中子輻照效應約50dpa的條件下進行托卡馬克DEMO驗證[1]。圖表29.中國聚變工程試驗堆（CFETR）布局示意圖圖表30.CFETR裝置主機2025年4月10日可控核聚變行業深度報告20合肥將建成世界首個緊湊型聚變能實驗裝置。緊湊型聚變能實驗裝置（BumningplasmaExperimentalsuperconductingTokamak，BEST）作為EAST的后續項目，將在EAST的基礎上進一步提升核聚變能源的經濟性和可行性，并首次演示聚變能發電，該項目總用地面積約16萬平方米，總建筑面積約15萬平方米。目前該項目正在建設當中，根據中科院等離子體物理研究所所長宋云濤的預計，該項目將于2027年完工，有望成為世界首個緊湊型聚變能實驗裝置，推動聚變能從實驗室走向實際應用。圖表31.緊湊型聚變能實驗裝置園區項目（BEST）效果圖國內聚變-裂變混合堆也在同步發展。國內的聚變-裂變混合堆概念，主要來自于2008年中國工程物理研究院彭先覺原始提出了Z箍縮驅動聚變裂變混合堆(Z-FFR)，Z-FFR的聚變功率大幅降低且中子更加富裕，有望綜合解決聚變氚自持、高聚變增益、耐輻照損傷、裂變燃料增殖、超鈾元素嬗變等關鍵科學問題和工程挑戰。經過了多年的理論研究，2021年用于驗證Z箍縮聚變點火的科學可行性“電磁驅動大科學裝置”項目獲得四川省發改委立項，投資規模達到50億元。按照發展規劃，將在2035年開始建設1000MW級電功率Z箍縮聚變裂變混合堆，2040年進行發電演示，之后進入商業推廣階段。此外，江西省也有混合堆項目落地。根據江西省電子集團官網顯示，2023年11月12日，江西省人民政府與中國核工業集團有限公司簽訂全面戰略合作框架協議，江西聯創光電超導應用有限公司和中核聚變（成都）設計研究院有限公司計劃各自發揮技術優勢，采用全新技術路線，聯合建設聚變-裂變混合實驗堆項目，技術目標Q值大于30，實現連續發電功率100MW，該項目擬落戶江西省，工程總投資預計超過200億元人民幣。圖表32.Z-FFR結構示意圖圖表33.電磁驅動聚變大科學裝置基本信息2025年4月10日可控核聚變行業深度報告21近幾年支持政策不斷推出，“從上到下”支持可控核聚變發展。在“雙碳”目標下，從中央到地方政府制定了一系列政策，來支持可控核聚變的研究和發展，國務院《2030年前碳達峰行動方案》要求推進可控核聚變技術研究；國家發改委、國家能源局《“十四五”現代能源體系規劃》在專欄中指出支持受控核聚變的前期研發。圖表34.國內近幾年可控核聚變相關支持政策《能源生產和消費革命戰略《2030年前碳達峰行動方案》積極研發先進核電技術，加強可控核聚變等前《“十四五”現代能源體系規劃》《2024年國民經濟和社會發展加快推動氫能等未來能源產業創新發展，持續推超導技術能夠大大提升聚變能源的轉化效率與能源輸出。由于磁約束聚變主要靠磁場來約束高溫等離子體，因此在高溫、高壓的極端環境中，磁體材料的性能尤為重要。早期的托卡馬克采用的磁體材料為銅導體，這種導體在強大的電流下不可避免地存在發熱問題，導致能量耗散嚴重，使得消耗的能量將超過核聚變產生的能量，而且要把銅線圈產生的熱量及時帶走，需要過于龐大的冷卻系統，因此限制了磁約束核聚變的長時間穩態運行。而超導體由于具有零電阻效應，且承載電流密度更高有利于建造更加緊湊、更高場強的聚變裝置，能夠有效改善長脈沖穩態運行，大大提升聚變能源的轉化效率與能源輸出。20世紀后期，科學家們開始把超導技術用于托卡馬克裝置。1979年蘇聯建造了世界上第一臺低溫超導托卡馬克T-7裝置，將超導磁體技術引入聚變領域，其縱場磁體系統由48個超導線圈組成，為后續聚變裝置的設計和運行提供了重要支持和創新。以T-7為原型設計制造的我國首個超導托卡馬克裝置HT-7，從1994年建成運行到2012年最后一輪實驗，HT-7等離子體放電次數突破14萬次，雖然HT-7裝置只有縱場磁體采用超導體繞制，用以激發等離子體的中心螺管磁體和用以控制等離子體的極向場磁體仍采用銅導體繞制，但是仍然在2008年連續重復實現長達400s的1200萬℃高溫等離子體運行，創造了當時最長放電時長記錄長，證明了超導材料在磁約束托卡馬克裝置中應用的先進性。隨后，全球各國開始積極謀劃全超導托卡馬克裝置，2006年，中國等離子體物理研究所自主研制并建成世界上第一個全超導托卡馬克實驗裝置EAST，標志著聚變能發展步入全超導托卡馬克時代。圖表35.我國首個超導托卡馬克HT-7裝置主機圖表36.典型低溫超導托卡馬克主要性能參數券2025年4月10日可控核聚變行業深度報告22低溫超導線圈的磁場強度限制，使得ITER等裝置不得不設計的龐大且昂貴。根據托卡馬克聚變堆功率的相關公式，其單位體積的聚變功率密度正比于磁場強度的4次方：pfusion/v≈8ph∝βε2q9-B4如果磁場強度上不去，就只能通過提高體積的方式來獲得所需的聚變功率，可見提高磁場強度B是縮小托卡馬克聚變堆尺寸的關鍵。但是超導臨界電流密度的限制使得低溫超導線圈所能達到的最高磁場強度非常有限。低溫超導體，如NbTi和Nb3Sn，當電流密度超過一定的值就會失去超導態，這使得NbTi和Nb3Sn磁體分別最高只能達到8T和13.5T。ITER采用Nb3Sn超導磁體，等離子體中心最高磁場強度只能達到5.3T，這時線圈的高場側達到13T,因此要達到500MW聚變功率的目標，科學家不得不將ITER設計得很大，等離子體大半徑6.2米，造成ITER的成本居高不下。因為ITER采用了低溫超導線圈，才如此龐大和昂貴，要降低成本，減小裝置尺寸，最有效的辦法就是增強磁高溫超導材料的出現，讓聚變商業化出現曙光。近年來，以稀土鋇銅氧(RareEarthBariumCopperOxide，REBCO)為代表的高溫超導材料，在工業化生產能力和性能方面均獲得顯著提升，推動了其在磁體領域的應用。與傳統低溫超導材料相比，REBCO材料具有更高的臨界溫度和熱穩定性，并且在高磁場下仍能保持出色的載流能力，使得其在聚變領域中具有巨大的應用潛力。將REBCO材料引入聚變裝置中，不僅能夠顯著提升其磁場強度和聚變性能，還能大幅縮減磁體尺寸，降低托卡馬克裝置的研發成本和技術難度，進而使聚變裝置在設計上更加緊湊和高效，推動其商業化進程。美國麻省理工學院研究人員在《IEEE應用超導匯刊》上發表6篇論文，宣布通過他們所研發的新型高溫超導磁體，能夠將可控核聚變裝置托卡馬克的體積和成本壓縮至目前的1/40，并成功通過了嚴格的科學測試和論證。國內外同步進行高溫超導材料在核聚變應用中的探索。基于二代高溫超導帶狀導線REBCO，小型聚變實驗堆SPARC的設計聚變功率P>50MW、聚變增益Q>2、設計磁場12T，等離子體大半徑卻只有1.65m，等離子體體積只有11m2，與EAST差不多，是ITER的1/80。2024年6月18日，位于上海的聚變能源商業公司能量奇點宣布，由能量奇點設計、研發和建造的洪荒70裝置成功實現等離子體放電。這是全球首臺全高溫超導托卡馬克裝置，也是全球首臺由商業公司研發建設的超導托卡馬克裝置，這一裝置的運行標志著我國在全球范圍內率先完成了高溫超導托卡馬克的工程可行性驗證。圖表37.從ITER到SPARC，反應堆的尺寸不斷縮小圖表38.部分商業化高溫超導托卡馬克裝置券AI在數據分析、智能預測、實時控制等方面的優勢，正在成為推動核聚變研究和應用進步的重要力量。托卡馬克聚變裝置的難點之一就是精確控制和約束內部的等離子體，而隨著人工智能的不斷發展，AI在核聚變科研中的應用正變得日益廣泛和深入，從數據分析到模擬預測，再到控制反應過程，AI的技術正在為核聚變研究帶來革命性的進展。以下是幾個典型應用場景：2025年4月10日可控核聚變行業深度報告23數據解析與規律發現：核聚變實驗生成的數據量龐大且復雜，AI配合機器學習算法能夠有效地處理這些數據，并從中發現模式和規律，這一能力特別有助于分析等離子體的行為，揭示影響其穩定性的關鍵要素，并為控制等離子體以避免不穩定現象提供策略；實驗預測與過程模擬：AI在理論物理與實驗物理之間架起了一座橋梁，利用AI模型對歷史實驗數據進行學習，可以高效預測核聚變實驗的可能結果，從而縮短實驗周期，降低研發成本，幫助科研人員更好地利用現有資源，降低能源消耗，同時AI模擬技術為研究人員提供了一個安全的實驗預演平臺，幫助他們預測實驗的潛在結果和可能遇到的問題；反應堆設計革新：AI的分析和預測能力不僅限于實驗數據，它們還參與到核聚變反應堆的設計階段，運用AI算法研究人員能夠對反應器的內部結構、選用材料和冷卻方案等進行優化，提升整個反應堆系統的效率和穩定性，顯著加快了設計從概念到實現的步伐；對等離子體進行實時控制：核聚變過程中，等離子體的溫度、壓力、密度和磁場等參數需要被精確控制，AI能夠實時監測等離子體狀態，預測其行為變化，并自動調節相關參數，確保核聚變反應的持續穩定，這種智能控制不僅提高了反應的穩定性和安全性，還大大減輕了科研人員的工作負擔；故障預防與設備維護：AI通過持續監測核聚變反應器的運行狀態，結合數據分析，能夠預測潛在的設備故障和性能退化，這種基于AI的預測性維護減少了意外停機時間，從而提升了核聚變反應器的運行安全性和經濟效益。AI技術在等離子體控制方面取得重大進展。2022年，谷歌旗下的Deepmind與瑞士洛桑聯邦理工學院瑞士等離子體中心聯合，開發了一個人工智能深度強化學習系統，并成功實現對托卡馬克內部核聚變等離子體的控制，隨后在一年之后的2023年，Deepmind宣布改進后的算法將等離子體形狀精度提高了65%，并且將訓練時間減少了3倍。2024年2月，普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的研究人員在《Natural》上發表論文，宣布其使用美國聚變設施的實驗數據，訓練了一個可以預測等離子體不穩定性的人工智能模型，提前300毫秒預測了核聚變等離子不穩定態，實現了對等離子體的超前干預，以應對等離子體的逃逸。這項工作成功證明了AI在有效控制聚變反應方面的潛力，但這只是推動聚變研究領域的第一步。圖表39.PPPL利用基于機器學習的實時RMP優化算法來避免擾動破壞聚變等離子體的穩定性資料來源：S.K.Kim，R.Shousha，etal.《Highest券2025年4月10日可控核聚變行業深度報告24資本市場融資屢創新高，私營聚變商業公司數量快速增加。隨著近年來高溫超導技術的成熟，大幅提升聚變裝置性能的同時成本持續下降，疊加AI超預期發展對聚變裝置設計和控制效率的提升，加快了可控核聚變商業化落地的預期，從而帶動更多高校、研究機構和私人資本入局。根據聚變行業協會（FIA）的統計，截至2024年中，全球私營聚變商業公司已累計獲得的總投資額達到71.2億美元，同比增加9億美元，資本市場融資屢創新高，參與的公司數量超過45家，公司數量快速增加。圖表40.私營聚變商業公司數量快速增加超70%核聚變公司預期2035年前實現并網發電，核聚變商業化可期。根據FIA最新的《Theglobalfusionindustryin2024》報告顯示，在參與調查的37家商業核聚變公司中，有26家認為在2035年前第一臺核聚變機組將實現并網供電；而在報告中的另一項調查顯示，在參與調查的35家公司中，有19家認為在2035年之前第一臺核聚變機組將滿足商業化運行的低成本/高效率的條件。圖表41.超70%聚變公司預期2035年前實現并網發電圖表42.超半數公司預期2035年前滿足聚變商業化條件2025年4月10日可控核聚變行業深度報告25可控核聚變有望帶來龐大市場，產業鏈充分受益與核裂變電站類似，可控核聚變電站分為核島和常規島兩部分。核聚變電站與傳統核裂變電站類似，通常由核島和常規島兩大部分構成，其中核島是核聚變電站的核心部分，負責將核能轉化成熱能；常規島則是進一步將核聚變產生的熱能轉化成電能，占據核電站的最主要成本。圖表43.核聚變電廠示意圖聚變項目投資大，聚變電站造價高昂。由于目前可控核聚變仍處于前期探索階段，技術路徑及裝置大小均存在較大差異，所以成本也存在較大的差異，但是從目前已有的聚變項目的投資額情況來看，一個實驗堆的成本在幾十億美元不等。而如果要建造一座聚變電站，根據普林斯頓大學的研究人員測試，一座1000MW的核聚變電廠成本在27億美元到97億美元之間，另外根據我國核物理專家彭先覺院士的研究顯示，一個100萬千瓦的磁約束聚變電站的成本預計超過100億美元。圖表44.部分核聚變項目投資額情況），NIF 2025年4月10日可控核聚變行業深度報告26核聚變電廠的最主要成本來自聚變堆，聚變堆中磁體最主要的部件。據DehongChen等對CFETR的成本進行的測算，若采用全超導托卡馬克的方案，建造一個200MW的聚變電站，基于2009年的數據，其總成本達到34.6億美元，其中聚變堆核心設備的成本占比為45.7%。在核聚變堆的核心設備中，對等離子體起約束作用的超導磁體為最主要的部件，環向磁場、極向磁場和歐姆加熱線圈合計成本占聚變堆的38.9%，占聚變電廠的17.8%，其他成本占比較高的部件還包括第一壁和包層、隔熱層、真空室等。圖表45.CFETR聚變電站成本測算（基于2009年）儀表與控制券2025年4月10日可控核聚變行業深度報告27根據NeilMtichell等對ITER裝置和核聚變發電廠DEMO的成本拆分來看，成本分布跟CFETR的成本分布基本類似，在ITER裝置中磁體系統、容器內部件、建筑、真空室的占比最高，分別達到28%、17%、14%、8%。圖表46.ITER裝置成本拆分電源系統其他輔助系統其他輔助系統7.0%儀表和控制6.0%真空室8.0%儀表和控制6.0%真空室8.0%低溫裝置和冷卻水系統5.0%加熱和電流驅動7.0%\容器內部件17.0%\建筑磁體28.0%14.0%資料來源：NeilMitchell，etal.《Superconductorsforfusion:a圖表47.核聚變發電廠DEMO成本拆分其他輔助系統儀表和控制真空室容器內部件磁體容器內部件磁體低溫裝置和冷卻水系統核聚變或將帶來龐大的設備市場機遇。按照IAEA在《WorldFusionOutlook2024》中的統計，按照目前已經規劃了的聚變項目的進度來看，預計在2025到2030年間有10個聚變項目建成，若保守的按照單個項目30億美元的設備投資額進行粗略估算，則未來五年預計有300億美元的相關設備潛在市場；在2030年至2035年預計會有27個項目建成，帶來超過800億美元的相關設備潛在市場。若核聚變完全商業化，根據IgnitionResearch的預計，到2050年將成為一個至少1萬億美元的市場。圖表48.2025-2035年預計完成的核聚變項目2025年4月10日可控核聚變行業深度報告28根據目前主流的托卡馬克裝置的配置，可以將可控核聚變產業鏈劃分為上游原料供應、中游技術研發與設備制造以及下游整機建設和運營等環節。其中上游原材料，主要包括金屬鎢、銅等第一壁材料、超導材料及氘氚燃料等；中游的技術研發與設備制造環節是整個產業鏈的核心部分，包括包層第一壁、偏濾器、高溫超導磁體等關鍵組件，這些設備的設計與制造需要極高的精度與可靠性，以確保核聚變裝置能夠安全、穩定地運行；下游的整機建設和運營環節雖然目前尚未實現商業化發電，但卻是研究可控核聚變技術的最終目標和應用方向。圖表49.可控核聚變產業鏈及代表公司積極參與ITER項目，顯著推動了國內產業鏈升級與技術創新。中國在ITER項目中負責18個采購包的實物貢獻，包括磁體支撐、校正場線圈、環向場線圈導體、極向場線圈導體導體、校正場線圈和饋線導體、磁體饋線系統、第一壁、屏蔽包層等等核心部件。通過承擔這些核心部件的制造和安裝，推動了我國在超導材料、特種鋼材等關鍵材料領域，以及精密加工、焊接、裝配等高端制造技術的進步，培育出了較為完整且具備國際競爭力的可控核聚變產業鏈。2025年4月10日可控核聚變行業深度報告29圖表50.ITER項目中國供應的主要零部件造導體制造任務的7.51%量司 提供氫氣和氘氣，為彈丸注入系統（PIS）提供--電，中方承擔其中14套加熱提供能源；以及與高壓電網間的能量傳輸、-第一壁是聚變裝置的關鍵部件，對材料的要求極高。第一壁是聚變裝置中直接面向高溫等離子體的一層固體結構，提供了包層系統與等離子體的界面并屏蔽等離子體運行時產生的高熱負荷，它的主要作用是防止雜質進入等離子體進而污染等離子體內部環境，快速地將等離子體輻射產生的熱量傳輸出去，并防止瞬態事件發生時所導致的其他部件損傷進而危及人身及設備安全，其工作環境極其苛刻，遭受著高溫、高熱負荷、強束流粒子與中子輻照等綜合作用。因此，根據第一壁的工作狀態，第一壁材料應該滿足高熔點、低濺射率、低氚滯留、良好的熱導率、與等離子體相兼容的特點。2025年4月10日可控核聚變行業深度報告30圖表51.ITER真空室內部構造資料來源：SlavomirEntler,etal.《Approximationoftheeconomyoffusion圖表52.ITER的第一壁模塊第一壁材料的研究熱點主要有鎢及鎢基合金、碳基材料和鈹等，其中鎢基合金可能是未來聚變堆理想的第一壁材料。在第一壁材料的應用中，一般分為低原子序數材料和高原序數材料，低原子序數材料包括石墨、硼、鋰和鈹等，高原子序數材料包括鉬和鎢等，目前第一壁材料研究熱點主要有鎢及鎢基材料、碳基材料（石墨、C/C復合材料）和鈹等，這三類材料各具特點：鈹：具有低的原子序數、高的熱導率以及與等離子體適應性好、比強度大、彈性模量高、對等離子體污染小、可作為氧吸收劑、中子吸收截面小且散射截面大等優點，自從鈹在歐洲聯合環（JET）中使用并取得成功而備受關注，但是鈹的缺點也很明顯，熔化溫度低、蒸氣壓高、物理濺射產額高、抗濺射能力差、壽命短等，另外鈹還具有較強的毒性，使其優先級遜于碳基材料和鎢基材料；碳基材料：具有低原子序數、高熱導率和高抗熱震能力，在高溫時能保持一定的強度，與等離子體具有良好的相容性以及對托卡馬克裝置中異常事件（包括等離子體破裂、邊緣區域模）具有高承受能力，因此在與等離子體直接接觸的區域（如偏濾器垂直靶和收集板）會傾向于使用碳纖維復合材料（CFC但是碳基材料存在兩大缺陷，一是抗濺射能力差、化學腐蝕率較大，二是孔隙率較高，這使得其對氘和氚具有較高的吸附性，研究人員開發出了摻雜石墨材料和碳纖維增強復合材料,該復合材料雖性能較傳統石墨材料有較大提升,但仍存在著與結構材料連接膨脹失配等問題；鎢及鎢基合金：具有高熔點、高熱導率、低濺射產額和高自濺射閾值、低蒸氣壓和低氚滯留性能，其缺點是存在高原子序數雜質輻射以及低溫脆性、再結晶脆性和中子輻射脆化等，研究人員采用合金化、碳化物/氧化物彌散強化、復合材料等方式都可以改善鎢的韌性，塑性變形后的彌散顆粒增韌鎢可以有效提高鎢的韌性,但也存在著加工工藝復雜、納米尺寸的第二相均分布困難等問題。[1]近年來，鎢及鎢基合金作為第一壁材料開始受到越來越多的關注和應用，ITER在2023年已確定了將第一壁材料從鈹換成鎢，中國EAST也是經歷了向全鎢的轉換。因此，鎢及鎢基合金是目前最具應用前途的一類第一壁材料。圖表53.幾種第一壁材料在600℃的基本性能6碳纖維復合材料6鈹4鎢2025年4月10日可控核聚變行業深度報告31中國在第一壁材料技術上已經取得了顯著的進展，處于國際領先水平。根據ITER官方，我國承擔了10%的ITER第一壁生產制造任務，中核集團核工業西南物理研究院牽頭研發了第一壁采購包半原型部件，在2016年成功通過高熱負荷測試，在世界上率先通過認證。2022年11月22日，ITER增強熱負荷第一壁完成首件制造，其核心指標顯著優于設計要求，具備了批量制造條件，這標志著中國全面突破“ITER增強熱負荷第一壁”關鍵技術。中國的核聚變研究團隊不僅解決了材料加工、制造、連接技術的問題，還成功開發了模擬聚變實際運行工況的氦檢漏技術，并成功立項了聚變堆承壓部件高溫高壓熱氦檢漏方法的國際標準，體現了中國在全球核聚變領域的技術實力和創新能力，展示了中國在核聚變核心科技領域的全球領跑地位。圖表54.第一壁的結構圖表55.我國為ITER提供的增強熱負荷第一壁首件偏濾器是核聚變裝置的不可或缺的重要組件，工作環境極為嚴酷。偏濾器位于真空室上下方，其主要功能為1）排出來自聚變等離子體的能流和粒子流；2）有效地屏蔽來自器壁的雜質，減少對芯部等離子體的污染；3）排出核聚變反應過程中所產生的氦灰等產物，并提取有用的熱量用于發電。偏濾器同樣直接承受強粒子流和高熱流的沖擊，承受高能逃逸離子的沉淀能量，其表面熱負荷遠高于第一壁表面平均值，服役環境同樣十分苛刻。以ITER的偏濾器為例，主要由穹頂板、內外靶板、抽氣系統、冷卻系統等組成，其中內、外靶板是受等離子體轟擊最激烈的區域,同時也是裝置中熱負荷最嚴苛的區域。圖表56.ITER的偏濾器及靶板構造示意圖2025年4月10日可控核聚變行業深度報告32偏濾器構成主要包括面向等離子體材料和熱沉材料，偏濾器熱沉材料的性能對聚變堆能否成功運行起著關鍵作用。偏濾器的面向等離子體材料面對的工況與第一壁相似，所以同樣鎢基合金成為理想的材料選擇，我國EAST裝置偏濾器歷經3次升級換代,先后采用了3種不同類型的靶板材料，2006年EAST第一次放電時靶板材料為奧氏體不銹鋼，且無冷卻結構;2008年,經過升級改造,將偏濾器靶板材料換成了石墨瓦，并增加了主動水冷結構;2014年,EAST偏濾器優化為類比ITER結構的水冷鎢銅穿管型模塊。而為了維持偏濾器在嚴苛條件下的正常運行，目前主流的解決方案是在偏濾器的熱沉材料中開流道通冷卻劑，帶走等離子體與偏濾器相互作用產生的大量熱量，從而確保偏濾器處于其許用溫度范圍內，使偏濾器能夠在聚變堆內正常服役。因此，偏濾器熱沉材料的性能對聚變堆能否成功運行起著關鍵作用。從另一個角度來說，偏濾器承受高熱負荷的能力限制了聚變堆運行的最大功率，而熱沉材料的熱物理性能和力學性能是提高偏濾器承受熱負荷的關鍵。銅及銅合金成為偏濾器熱沉材料首選。為滿足聚變堆偏濾器的服役環境，對熱沉材料的性能提出了以下基本要求：1）具有高的熱導率；2）高溫下具有較高的強度和斷裂韌性等力學性能；3）具有良好的抗中子輻照性能；4）具有長期服役的熱穩定性；5）具有較強的耐腐蝕性能，低的均勻腐蝕，無局部腐蝕(如晶間腐蝕或氣蝕)；6）材料中氚的溶解度較低。可控核聚變領域近30年的研究和工程經驗表明，銅合金以高熱導率、較高的強度、較好的熱穩定性和抗中子輻照性能被認為是聚變堆偏濾器用熱沉材料的首要候選材料，也可能是水冷偏濾器熱沉材料的唯一候選材料。圖表57.EAST偏濾器復合材料構造示意圖圖表58.EAST偏濾器的鎢銅穿管結構示意圖磁體系統是整個磁約束聚變裝置的核心。磁約束聚變裝置的磁體系統的主要作用是產生磁場，用來產生、約束、控制等離子體，是整個裝置最核心的部件。ITER的磁體系統主要由四部分構成，包括環向磁場(ToroidalField，TF)線圈、中心螺線管(CentralSolenoid，CS)磁體、極向磁場(PoloidalField，PF)線圈以及校正線圈（CorrectionCoil,CC），其中縱向磁場和中心螺線管采用的是Nb3Sn的超導線，用量超過500噸（總長度超過10萬千米）。圖表59.ITER磁體系統2025年4月10日可控核聚變行業深度報告33高溫超導磁體大幅提升磁場強度，提升可控核聚變商業化進程。前文中已經介紹過，超導體尤其是高溫超導的應用大幅提升了托卡馬克裝置的磁場強度，降低托卡馬克裝置的研發成本和技術難度，有望推動可控核聚變商業化的進程。高溫超導體一般是指臨界溫度Tc≥25K的超導材料，有實用價值的主要有鉍系（例如Bi2Sr2Ca2Cu3O7-δ,Tc=110K）、釔系（例如YBa2Cu3O7-δ,Tc=92K）和MgB2（Tc=40K）材料等。圖表60.低溫超導與高溫超導的比較NbTi（Tc=9.5K），Nb3Sn（Tc=92K）液氮超導磁懸浮、超導感應加熱、可控核聚變、高溫超導帶材仍處于產業化初期。目前具備實用價值的鉍系和釔系高溫超導材料都屬于氧化物陶瓷，在制造供應商必須克服加工脆性、氧含量的精確控制與基體反應等問題，因此價格較為昂貴，與已經實現商業化大規模應用的低溫超導不同，仍處于產業化的初期。目前全球主要能夠生產高溫超導帶材的公司有日本SuperPower、中國上海超導、韓國SuNAN等，二代高溫超導帶材結構上呈現為多層復合結構，一般來說自上而下通常依次為銅層-銀層-超導層-緩沖層-基底層-銀層-銅層，不同生產公司的不同型號的二代高溫超導帶材結構略微有所差異。可控核聚變進展加速，將帶來高溫超導帶材需求增長。根據上海翌曦科技發展有限公司創始人兼董事長金之儉在接受采訪時透露的數據，美國CFS公司的SPARC示范裝置超導帶材用量就接近1萬公里，瞄準實現聚變發電的ARC工程實驗堆需求量可能會達到2.4萬公里，而2021年全球的超導帶材產能僅3000公里。未來隨著以可控核聚變為代表的下游進展加速，有望帶動高溫超導帶材需求快速提升、產能快速增長和價格快速下降。圖表61.各公司第二代高溫超導帶材結構示意圖2025年4月10日可控核聚變行業深度報告34投資建議核聚變被視為人類理想的終極能源，其中托卡馬克裝置最具商業化潛力。核聚變是幾個較輕的原子核結合成一個較重的原子核,實現將質量轉化為能量的過程，由于氘-氚反應實現難度相對最低，成為目前聚變燃料最普遍的選擇。核聚變因其燃料資源豐富、能量密度大、清潔無污染、安全性高等突出的優點，被視為人類理想的終極能源。目前，磁約束聚變能量約束時間長、技術成熟度高、工程可行性強，是實現聚變能開發的最有效途徑，其中又以托卡馬克裝置最為成熟，是目前最有可能首先實現商業化的技術路線。根據IAEA的統計，截至2024年中，全球共有159個核聚變項目，其中托卡馬克裝置79個，占比接近50%。目前已進入工程可行性驗證階段，中國在可控核聚變領域處于國際先進水平。20世紀90年代，可控核聚變的科學可行性已經被托卡馬克裝置證明，目前已進入工程可行性驗證階段，全球最大的由美國、中國、歐洲等35個國家共同參與建造的托卡馬克裝置ITER，其目的就是解決可控核聚變投資產業化運行前的各種工程化問題。我國聚變研究開始于20世紀50年代，基本與國際同步，通過多年的持續投入和不懈努力，中國已經建成的EAST、環流三號等裝置，取得了一系列重要成就，中國的可控核聚變研究在國際上已處于非常先進的水平。高溫超導、人工智能等新技術的突破，助力可控核聚