2025年全球可控核聚變行業(yè)概述及技術(shù)現(xiàn)狀調(diào)研報告在全球及中國的發(fā)展態(tài)勢方面，國際上多個國家和地區(qū)積極參與可控核聚變研究，通過國際合作與自主研發(fā)不斷推進技術(shù)進步，中國在科研機構(gòu)與項目上成果豐碩，EAST和中國環(huán)流三號等裝置取得重要突破，政策支持與資金投入力度不斷加大，商業(yè)應(yīng)用探索也初見成效，眾多企業(yè)積極投身于核聚變商業(yè)化應(yīng)用的探索。一、可控核聚變行業(yè)概述?1、定義與原理?可控核聚變的英文名稱為Controllednuclearfusion，是指在一定條件下，通過精確控制核聚變的速度和規(guī)模，從而實現(xiàn)將核聚變產(chǎn)生的能量有效應(yīng)用于社會生產(chǎn)和人類生活的目的。核聚變作為一種能釋放出巨大能量的原子核反應(yīng)形式，其過程是輕原子核，例如氘和氚，結(jié)合成較重原子核，例如氦時，會放出巨大能量。在這一過程中，物質(zhì)并不守恒，因為有一部分正在聚變的原子核的物質(zhì)會轉(zhuǎn)化為光子，也就是能量，這一現(xiàn)象遵循愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2。?根據(jù)北京研精畢智信息咨詢發(fā)布的\o"調(diào)研報告"調(diào)研報告指出，實現(xiàn)可控核聚變主要有慣性約束和磁約束兩種方式，而當前主流的托卡馬克裝置便屬于磁約束方式。核聚變與核裂變存在顯著區(qū)別，核裂變是重原子核，如鈾-235、钚-239等，分裂成兩個或多個較輕原子核的過程，其反應(yīng)原理是通過中子轟擊重原子核，使其分裂并釋放能量，同時產(chǎn)生更多中子，引發(fā)鏈式反應(yīng)。核電站和原子彈便是基于核裂變原理運行。與之相比，核聚變的能量釋放更為巨大，因為聚變過程中，新形成的原子核比原始原子核的比結(jié)合能更高，意味著有更多結(jié)合能釋放。在反應(yīng)條件上，核聚變需要在極高的溫度和壓力下才能進行，目前主要通過磁約束和慣性約束兩種方式實現(xiàn)，而核裂變在較低的溫度和壓力下就可以發(fā)生，相對更容易控制。在原料方面，核聚變的原料，如氘可從海水中大量提取，幾乎取之不盡，而核裂變的原料，如鈾、釷等在地球上的蘊藏量則較為有限。并且核聚變產(chǎn)生的輻射少，生成物基本沒有放射性，相比核裂變更加清潔環(huán)保。?2、發(fā)展歷程?全球可控核聚變技術(shù)的發(fā)展源遠流長，1919年，英國物理學家盧瑟福從實驗證實輕原子核能在人工控制下相互碰撞發(fā)生核反應(yīng)，物理學家阿斯頓發(fā)現(xiàn)He(4)原子的質(zhì)量比組成氦的四個氫原子質(zhì)量的總和小約1%，為核聚變的研究提供了重要依據(jù)。1920年，英國物理學家愛丁頓提出太陽的能量來自氫原子核到氦原子核的聚變過程，為核聚變研究指明方向。1928年，美國核物理學家伽莫夫揭示了聚變反應(yīng)中的庫侖勢壘隧穿效應(yīng)，1929年，阿特金森和奧特麥斯從理論上計算了氫原子聚變成氦原子的反應(yīng)條件，進一步推動理論發(fā)展。?20世紀50年代，歐美各主要國家開始著手進行磁約束核聚變的相關(guān)研究，一些可控聚變的概念及相應(yīng)的實驗裝置如仿星器、箍縮裝置和磁鏡裝置等相繼被提出。與此同時，蘇聯(lián)也在進行受控磁約束的探索，1951年，阿根廷的羅納德?里希特（RonaldRichter）認真提出了用核聚變方法來得到能量。1954年，第一個托卡馬克裝置在蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所建成，并在這個裝置上實現(xiàn)了聚變反應(yīng)，盡管產(chǎn)生的能量極微，放電時間僅維持了300μs，但為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。1957年，在日內(nèi)瓦召開原子能國際大會，決定展開國際合作與交流，英國科學家勞森提出維持核聚變反應(yīng)堆中能量平衡的勞森判據(jù)。1958年的第二次和平利用原子能國際會議，各國將研究成果解密，公布了一批理論和實驗結(jié)果，開始更密切的國際合作。?20世紀60年代后期，俄國科學家在T-3Tokamak上克服等離子體的宏觀穩(wěn)定性上取得顯著進展，磁約束聚變包括托卡馬克、磁鏡、仿星器、箍縮等多種研究途徑，其中托卡馬克途徑在技術(shù)上最成熟，進展也最快，逐漸顯示出其獨特優(yōu)勢，成為磁約束核聚變研究的主流。1963年，蘇聯(lián)科學家巴索夫和中國科學家王淦昌獨立提出用激光實現(xiàn)受控熱核聚變反應(yīng)的構(gòu)想。1976年，美國、蘇聯(lián)倡議在IAEA的框架下由美國、歐洲、日本及俄羅斯共同建造ITER（InternationalTokamakExperimentalReactor，國際托卡馬克實驗反應(yīng)堆），目標是驗證工程可行性。?此后，核聚變研究不斷取得進展。1991-1997年，歐洲聯(lián)合環(huán)(JET)和美國TFTR氘氚放電實驗，展現(xiàn)了核聚變存在工業(yè)利用的前景。2005年，中國EAST實驗裝置建成，標志著我國在國際核聚變研究中占據(jù)重要地位。2015年，中國工程物理研究院建成亞洲最大的高功率激光裝置神光-Ⅲ激光裝置主機。2018年，中國可控核聚變首次實現(xiàn)1億度運行，標志著聚變反應(yīng)堆運行邁出關(guān)鍵一步。2020年，ITER開始安裝，計劃在2025年底首次等離子體放電。2021年，中國核聚變穩(wěn)定運行時間破1,000秒，中國EAST實驗裝置實現(xiàn)了1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行。2023年，歐洲JET創(chuàng)造69兆焦耳能量紀錄，歐洲聯(lián)合核聚變實驗裝置(JET)在約5秒內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生69兆焦耳的能量，打破世界紀錄。2024年，MIT技術(shù)突破使核聚變裝置成本降低40倍，MIT利用稀土氧化銅鋇超導體大幅縮減核聚變裝置體積與成本，推動\o"能源"能源商業(yè)化；第一光聚變公司突破壓力極限至1.85TPa，打破了美國桑迪亞國家實驗室的壓力世界紀錄，是地核壓力的五倍。?中國可控核聚變技術(shù)發(fā)展也經(jīng)歷了多個重要階段。1956年《十二年科技規(guī)劃》，核聚變研究被列入國家科技發(fā)展計劃，標志中國正式啟動探索。1958年，受蘇聯(lián)技術(shù)啟發(fā)，蘇聯(lián)公開磁鏡裝置研究成果，中國科研團隊吸收相關(guān)知識，啟動可控核聚變研究。同年5月，中科院物理研究所留美歸來的孫湘牽頭組建了第一室103組，使用小型脈沖放電裝置，成功制造出了高溫等離子體，該成果被《人民日報》譽為“人造小太陽”。但在1959年，因三年困難時期，核聚變研究經(jīng)費被大幅削減，科研骨干被調(diào)往兩彈研制任務(wù)，研究陷入停頓，1963年，中科院物理所的核聚變研究組正式撤銷。?1965年，西南物理研究院成立，在四川樂山建立首個核聚變研究基地（代號“585所”），形成“國家隊”研究力量。1968年，蘇聯(lián)公開托卡馬克裝置實驗數(shù)據(jù)，引發(fā)全球托卡馬克研究熱潮。1984年，中國環(huán)流器一號（HL-1）建成，這是我國首座中型托卡馬克裝置，填補國內(nèi)空白，初步驗證等離子體約束能力。1994年，中俄合作改造T-7裝置，建成中國首個超導托卡馬克HT-7，使我國躋身國際前沿。2002年，建成了具有偏濾器位形的中國環(huán)流器二號Ａ裝置（HL-2A）。2003年，中國加入ITER計劃，以“平等伙伴”身份參與國際熱核聚變實驗堆項目，開啟全球技術(shù)協(xié)作。?2006年，全超導托卡馬克裝置（東方超環(huán)）EAST首次成功放電，這是全球首個非圓截面全超導裝置，推動長脈沖等離子體研究。此后EAST不斷取得突破，2012年實現(xiàn)411秒長脈沖放電，突破百秒級穩(wěn)態(tài)運行，驗證超導磁體穩(wěn)定性；2017年創(chuàng)高約束模式紀錄，實現(xiàn)101.2秒H-mode等離子體運行，首次突破百秒級約束；2018年達到1億攝氏度，電子溫度達太陽核心6倍以上，接近聚變點火條件；2021年刷新高溫紀錄，實現(xiàn)1.2億度101秒、1.6億度20秒運行，突破穩(wěn)態(tài)高溫極限；2023年實現(xiàn)403秒高約束運行，進一步優(yōu)化長脈沖控制技術(shù)；2025年1月實現(xiàn)1億攝氏度下1066秒的高約束模等離子體運行，創(chuàng)世界紀錄；2025年4月實現(xiàn)300S，1.5億攝氏度下穩(wěn)定運行。?2020年，我國最大托卡馬克HL-2M裝置投運，等離子體電流能力提升至2.5兆安培，支撐ITER預研。2020年12月4日，“中國環(huán)流三號”（ChinaCirculation3）建成并實現(xiàn)首次放電，2025年3月首次實現(xiàn)原子核和電子溫度均突破一億度，中國可控核聚變技術(shù)取得重大進展，實驗數(shù)據(jù)顯示，中國核聚變裝置首次實現(xiàn)原子核溫度1.17億度、電子溫度1.6億度的參數(shù)水平，標志著中國可控核聚變向工程化應(yīng)用邁出重要一步。2022年，中國完成ITER項目中磁體饋線系統(tǒng)等關(guān)鍵部件交付，技術(shù)貢獻占比約9%。?二、可控核聚變行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀?1、主要技術(shù)路徑?2.1.1磁約束核聚變?磁約束核聚變（MagneticConfinementFusion，MCF）是利用特殊形態(tài)的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的超高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使它受控制地發(fā)生大量的原子核聚變反應(yīng)，釋放出熱量。其基本原理基于帶電粒子在磁場中的運動特性，由于等離子體中的帶電粒子（電子和離子）在磁場中會受到洛倫茲力的作用，從而被約束在磁力線附近運動，難以跨越磁力線向外擴散，使得高溫等離子體能夠被限制在一定空間內(nèi)，避免與容器壁接觸，實現(xiàn)核聚變反應(yīng)的持續(xù)進行。?托卡馬克（Tokamak）是磁約束核聚變研究中最具代表性且發(fā)展最為成熟的裝置。它的結(jié)構(gòu)呈環(huán)形，主要由環(huán)形真空室、強磁場系統(tǒng)、等離子體加熱系統(tǒng)、真空抽氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及診斷測量系統(tǒng)等部分組成。其中，強磁場系統(tǒng)由環(huán)向場線圈、極向場線圈和中心螺線管等構(gòu)成，環(huán)向場線圈產(chǎn)生環(huán)繞環(huán)形真空室的環(huán)向磁場，使等離子體沿環(huán)形軌道運動；極向場線圈用于控制等離子體的形狀和位置；中心螺線管則通過感應(yīng)電流來加熱等離子體并驅(qū)動等離子體電流，維持等離子體的穩(wěn)定運行。等離子體加熱系統(tǒng)采用多種加熱方式，如歐姆加熱、中性束注入加熱、射頻波加熱等，將等離子體加熱到核聚變所需的高溫。在托卡馬克裝置中，等離子體在強磁場的約束下，被加熱到極高溫度，其中的氘、氚原子核獲得足夠高的速度，克服它們相互之間的靜電排斥力而接近到有足夠的幾率穿透核勢壘，發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放出大量能量。?經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，托卡馬克裝置取得了眾多重要實驗成果。國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，其目標是建造一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的實驗堆，驗證核聚變能源的可行性。ITER裝置設(shè)計總聚變功率達到5×10^5kW，計劃在2025年底實現(xiàn)首次等離子體放電。中國的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）也取得了一系列重大突破，2025年1月，EAST實現(xiàn)了1億攝氏度下1066秒的高約束模等離子體運行，創(chuàng)造了新的世界紀錄，標志著我國在磁約束核聚變領(lǐng)域的研究處于國際先進水平。?仿星器（Stellarator）是另一種重要的磁約束核聚變裝置，它通過特殊設(shè)計的三維螺旋磁場來約束等離子體。與托卡馬克相比，仿星器的磁場結(jié)構(gòu)更為復雜，但其具有無需外部電流驅(qū)動、穩(wěn)態(tài)運行的優(yōu)勢，能夠避免托卡馬克中由于等離子體電流引起的磁流體不穩(wěn)定性問題，如等離子體破裂等。仿星器的線圈系統(tǒng)設(shè)計獨特，由多個形狀不規(guī)則的線圈組成，這些線圈產(chǎn)生的磁場相互交織，形成一種復雜的三維磁場位形，將等離子體約束在其中。德國的“螺旋石7-X”（Wendelstein7-X，W7-X）是目前國際上運行的具有代表性的仿星器，其磁場強度達到了3特斯拉，在等離子體約束和加熱等方面取得了顯著進展，2021年8月，W7-X的實驗達到了和托卡馬克相當?shù)牡入x子體約束水平，相關(guān)成果發(fā)表在《Nature》期刊上，這意味著先進仿星器有潛力成為實現(xiàn)聚變能的一個重要途徑。?2.1.2激光慣性約束核聚變?激光慣性約束核聚變（LaserInertialConfinementFusion，ICF）的原理是利用高功率激光束從各個方向均勻照射聚變?nèi)剂习型?，使靶丸表面的物質(zhì)迅速蒸發(fā)和電離，形成等離子體。等離子體向外膨脹的同時產(chǎn)生反作用力，將靶丸向中心壓縮，使靶丸內(nèi)的氘、氚燃料在極短時間內(nèi)被壓縮到極高的密度和溫度，引發(fā)核聚變反應(yīng)。在這一過程中，主要依靠燃料自身的慣性，在燃料還來不及飛散之前就完成核聚變反應(yīng)，實現(xiàn)能量的釋放。?實現(xiàn)激光慣性約束核聚變主要有直接驅(qū)動法和間接驅(qū)動法兩種方式。直接驅(qū)動法是將激光束直接照射在靶丸表面上，其優(yōu)點是激光束的能量利用效率相對較高，運行相對可靠，且可進行時空控制；缺點是對激光束均勻照射靶丸表面的要求極高，否則會造成向心爆聚的不對稱，還可能在燒蝕層等離子體中產(chǎn)生不穩(wěn)定性，使靶殼破壞，降低壓縮效果，此外，激光功率的耦合效率（5%-10%）和重復發(fā)射脈沖的頻率（每秒輸出1-10個激光脈沖）都不夠高。間接驅(qū)動法是將含有聚變?nèi)剂系陌型钁以谝粋€用高Z材料（如金）做成的小腔內(nèi)，激光束通過腔壁上的小孔照射在腔的內(nèi)壁上，腔壁表面物質(zhì)吸收激光束的能量后溫度升高，產(chǎn)生軟X射線，軟X射線均勻地照射在腔內(nèi)靶丸上將其燒蝕，經(jīng)過向心爆聚等過程產(chǎn)生熱核聚變反應(yīng)。間接法的優(yōu)點是對激光束光斑的均勻性要求不高，且軟X射線能均勻輻照在靶丸表面上，實現(xiàn)對稱爆聚；缺點是激光通過時等離子體會驅(qū)動參量不穩(wěn)定性，而且激光束能量的利用效率不及直接驅(qū)動法高。?美國國家點火裝置（NationalIgnitionFacility，NIF）是目前世界上最大的激光慣性約束核聚變裝置，代表了激光慣性約束核聚變領(lǐng)域的最高技術(shù)水平。NIF擁有192束高功率激光，總能量可達1.8兆焦耳，能夠產(chǎn)生高達500萬億瓦的峰值功率。2022年，NIF取得了重大技術(shù)突破，首次實現(xiàn)了核聚變反應(yīng)的“點火”，即核聚變產(chǎn)生的能量超過了輸入的激光能量，輸出能量達到3.15兆焦耳，實現(xiàn)了50%的能量凈增益，這是激光慣性約束核聚變領(lǐng)域的一個重要里程碑，證明了激光慣性約束核聚變在科學原理上的可行性。然而，NIF仍面臨諸多局限，目前其實現(xiàn)的“點火”是在極短時間內(nèi)的單次脈沖反應(yīng)，難以實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的能量輸出，距離實際的商業(yè)應(yīng)用還面臨著工程技術(shù)、成本效益等多方面的挑戰(zhàn)，如激光系統(tǒng)的效率較低、運行成本高昂、靶丸的制備和填充技術(shù)復雜等問題，需要進一步的研究和技術(shù)創(chuàng)新來解決。?2、關(guān)鍵技術(shù)難題與突破?在可控核聚變研究中，等離子體控制是核心難題之一。高溫等離子體處于高度電離狀態(tài)，性質(zhì)極為復雜且不穩(wěn)定，容易受到各種擾動，導致等離子體破裂、逃逸等問題，嚴重影響核聚變反應(yīng)的持續(xù)進行和能量輸出。在托卡馬克裝置中，等離子體電流的不穩(wěn)定性可能引發(fā)等離子體破裂，瞬間釋放出巨大能量，對裝置造成損壞。為解決這一問題，科研人員采用先進的反饋控制技術(shù)，通過實時監(jiān)測等離子體的參數(shù)，如溫度、密度、位置和形狀等，利用強大的計算機控制系統(tǒng)快速調(diào)整磁場位形和加熱功率，以維持等離子體的穩(wěn)定。在EAST裝置中，科研團隊研發(fā)了先進的等離子體控制算法，實現(xiàn)了對等離子體的精確控制，使其能夠在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定運行。此外，對等離子體邊界層的研究也取得了重要進展，通過優(yōu)化邊界條件，有效減少了等離子體與裝置壁面的相互作用，降