可控核聚变：初探商业化进展

要点：

可控核聚变有望成为能源最优解决方案。1）可控核聚变所需氘等燃料地球上储量丰富（海水中氘储量约 45 亿吨），不存在资源约束；2）可控核聚变反应仅在几亿度高温等离子体状态下进行，反应条件苛刻，发生故障可自动停止，具有固有安全性；3）可控核聚变所需燃料氘氚是清洁能源，氚仅在反应过程中产生，且半衰期很短，放射性危害较小；4）可控核聚变反应过程产生的大量高能中子能够应用于科研领域。

实验不断取得突破，产业和风险资本不断涌入。一方面我们看到近几十年实验不断取得突破，目前聚变三重积已接近劳森判据，聚变增益因子 Q 也已经接近商业发电所需 Q>10 的基础要求；另一方面我们看到全球范围内从事商业化聚变堆探索的企业数量已经达到 43 家，吸引到风投投资金额不断攀升，截至 2023 年初，全球聚变公司累计吸引超过 60 亿美元投资，国内包括能量奇点、星环聚能等初创公司同样开启了我国商业化聚变堆的尝试，并且成功获取风险资本投资。我们认为相关投资有望快速转化为对上游的采购订单，从而拉动聚变产业链需求放量。

高温超导磁体、第一壁是聚变发电托卡马克装置核心。目前适用于民用发电的路线以磁约束托卡马克装置为主，为了实现三重积大于劳森判据需要有磁体提供足够强的磁场，以钇钡铜氧为代表的二代高温超导技术以及由此衍生的磁体技术发展，为托卡马克装置提供了大幅超越以往的磁场强度，从而加速了聚变发电产业化进展。此外，为了实现点火后系统稳定安全运行以及氚自持，第一壁材料的研发成熟也是实现聚变发电的先决条件。我们认为高温超导带材、磁体、第一壁材料产值占比高，技术壁垒高，是最优投资环节。

正文

人类能源的未来梦想——可控核聚变

什么是可控核聚变

核聚变是指两个或多个质量较轻的原子核聚合为一个或多个较重的原子核和其他粒子，并释放出能量的过程。可控核聚变指在人工控制下利用聚变产生能量，在目前条件下，具有应用潜力的聚变反应主要有以下几种：

图表 1：目前可用的几种核聚变反应

资料来源：《聚变堆内部部件材料表面条件对氢同位素渗透的影响机理研究》，王露，2022，中金公司研究部

氘氚聚变的反应截面（反应概率）高出其他聚变反应两个数量级以上，是目前具备科学可行性的反应，也是目前聚变堆设计的主要方向。

图表 2：氘氚反应示意图

资料来源：Contemporary Physics Education Project，中金公司研究部

可控核聚变有哪些分类

实现可控核聚变有三种约束方式，分别是引力约束、磁约束和惯性约束。

► 引力约束是通过物质自身质量产生巨大的引力来实现对燃料的约束（如太阳），目前在地球上无法实现。

► 磁约束指将氘氚燃料加热为等离子体态，利用强磁场约束等离子体沿着磁场方向做回旋运动，等离子体在运动过程中发生碰撞从而发生核聚变。

► 惯性约束的原理是把几毫克的氘氚气体装入直径几毫米的小球内，向球面射入强大的激光或粒子束，外球面因受到能量而向外蒸发，而球面内层受到反作用力向内压缩，球内气体受挤压后达到高温、高压力状态。当温度达到点火温度时，球内气体发生爆炸，爆炸后的气体会在飞散之前充分燃烧并释放大量热能。

图表 3：可控核聚变的三种约束方式

资料来源：《超导磁体技术与磁约束核聚变》，王腾，2022，中金公司研究部

磁约束目前被认为是最有可能实现可控核聚变发电的途径

磁约束聚变装置主要有托卡马克、磁镜、仿星器、反向场箍缩等路线，目前的研究多集中于托卡马克路线，且技术进展较快，如国际热核聚变实验堆（ITER），我国的 EAST 均采用托卡马克作为约束装置。

图表 4：托卡马克基本结构

资料来源：《J-TEXT 托卡马克偏滤器位形的模拟与实现》，朱立志，2020，中金公司研究部

图表 5：ITER 的托卡马克装置

资料来源：ITER 官网，中金公司研究部

激光约束核聚变已取得 Q 值上的突破，可用于星际航行等领域

美国国家点火装置（NIF）于 2022 年 12 月实现 “净能量增益”，实验输入的激光能量为 2.05 兆焦耳，输出的能量为 3.15 兆焦耳，能量增益达到 153%。这项突破展示了人类迈向可控核聚变时代的潜力。

图表 6：美国国家点火装置

资料来源：《激光惯性约束聚变的基本原理和点火装置》，粟敬钦， 2018，中金公司研究部

• 实现可控核聚变需要满足三个条件：

1）极高的温度。如氘氚反应和氘氘反应分别要求燃料温度不低于 1 亿度和 5 亿度。在如此的高温下，燃料粒子处于电离状态，即 “等离子体”。

2）保证燃料超高的密度。等离子体需有超高的密度，才能保证有足够多的粒子发生反应，并输出聚变能。

3）须将等离子体约束在有限空间内，并维持足够长的时间。

根据劳森判据，当等离子体密度 n，温度 T，约束时间三者的乘积（聚变三重积）大于 5 ×1021m- 3·s·keV 时，聚变反应才能自持进行。

图表 7：实现可控核聚变的三个条件

资料来源：《超导磁体技术与磁约束核聚变》，王腾，2022，中金公司研究部

• 可控核聚变的优点

► 燃料资源丰富。核聚变燃料之一的氘（D）广泛地分布在海水中，1 升海水中提取的氘在完全的核聚变反应中释放的能量相当于燃烧 300 升汽油的能量。氚可以通过聚变反应产生的中子与聚变堆增殖层中的锂发生反应产生氚，锂的储量较为丰富，海水中约有 2600 亿吨锂。

► 可控核聚变具备固有安全性。高温等离子体一旦形成，任何运行故障都能使等离子体迅速冷却，从而使聚变反应在短时间内自动停止，这意味着核聚变反应堆不会发生重大事故。

► 核聚变能是清洁能源。核聚变反应不会产生温室气体，也几乎没有放射性污染。尽管氘氚聚变反应中的氚具有放射性，但氚的半衰期很短，且在聚变堆中很快地被燃烧。

► 核聚变具有广泛的应用。核聚变产生的大量高能中子在科研以及其他领域均有广泛的用途。

为什么可控核聚变值得关注？

聚变能量增益因子（Q 值）和聚变三重积不断取得突破

聚变能量增益因子指核聚变反应产生的能量与输入聚变装置的能量之比。当 Q=1，聚变反应所释放的功率等于维持反应所需的加热功率，称为收支平衡。由于实际工程中存在各种能量损失，在至少达到 Q>5 时，聚变反应自发产生的热量才足以维持反应，实现聚变点火；而想要实现聚变发电的商运，通常要求 Q>10。

聚变三重积与 Q 值呈正相关关系，三重积越大，则 Q 值也会随之增大。从可控核聚变研发至今，Q 值与聚变三重积均显著增加，使未来的商业化可控核聚变成为可能。

图表 8：主要聚变装置的 Q 值

资料来源：《国际核聚变能源研究现状与前景》，核工业西南物理研究院，2014，中金公司研究部

图表 9：聚变装置 Q 值的发展趋势

资料来源：《国际核聚变能源研究现状与前景》，核工业西南物理研究院，2014，中金公司研究部

图表 10：聚变三重积的变化趋势图

资料来源：《Fusion: Power for the future》，Anthony J Webster，2003，中金公司研究部

• 高温超导技术为磁场强度的进一步提高提供了可能

超导体具有零电阻效应，在电流传输过程中几乎不存在能量消耗，且超导线圈载流能力强，能获得更强的磁场，是聚变堆磁体的必然选择。磁约束可控核聚变需要提供高温高压的环境来约束等离子体，而磁场强度是实现这些条件的关键参数。托卡马克的聚变功率与磁场强度的 4 次方及装置半径的 3 次方成正比，增加磁场强度不仅可以提高聚变功率，还可以有效减小反应装置的尺寸。因此，一个磁约束聚变发电厂的规模、时间和经济性在很大程度上取决于磁体的质量。

图表 11：核聚变功率计算公式

资料来源：《On the size of tokamak fusion power plants》, Hartmut Zohm，2019，中金公司研究部

高磁场强度将推动聚变堆的成本降低。ITER 的中心磁场强度为 5.3 特斯拉，而目前高温超导磁体最大能产生 45.5 特斯拉的磁场，且未来磁场强度会进一步提高。我们认为，磁场强度越大，聚变装置的尺寸会随之减小，聚变堆的成本也将随之大幅下降。

图表 12：ITER 的磁体装置

资料来源：ITER 官网，中金公司研究部

• 全球商业化装置数量逐年增多，且获得大额融资

截至 2023 年年初，商业核聚变公司共 43 家，较之 2022 年年初增加 13 家，聚变公司数量呈明显的上升趋势。核聚变公司吸引的投资额也在不断增加，且近两年增长趋势明显。截至 2023 年初，全世界核聚变公司吸引了超过 60 亿美元的投资，较 2022 年初的总投资额增加 14 亿美元，较 2021 年初的 18.72 亿美元增加 40 多亿美元。

图表 13：全球聚变公司数量

资料来源：The global fusion industry in 2023，中金公司研究部

图表 14：全球聚变公司获得的总投资额

注：2023 年数据为 2022 年 4 月-2023 年 4 月；2021-2022 年以此类推
资料来源：The global fusion industry in 2023，中金公司研究部

• 与可控核聚变技术相关的专利数量呈现增长趋势

对 21 世纪以来与可控核聚变技术相关的专利数量进行筛选和分析，可以看到总体呈增长趋势，说明可控核聚变技术获得了更多的关注。

图表 15：核聚变技术相关专利数量

资料来源：智慧芽，中金公司研究部

• 人工智能的发展为等离子体控制问题提供了解决方案

2022 年 Jonas Degrave 于《Nature》上发表的《Magnetic control of tokamak plasmas through deep reinforcement learning》中提到，英国 DeepMind 公司与瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的科学家合作，利用深度学习方法生成非线性反馈控制器，通过自动学习实现对所有磁线圈的控制。为了防止高温等离子体与容器壁的接触，必须对等离子体进行精确的控制。传统的托卡马克装置中，每个线圈需配备单独的控制装置，每秒需调整上千次电压，带来了大量的设计和工程任务。由于等离子体在真空室中的运动存在很高的不确定性，目前的控制方法还无法长时间约束等离子体。人工智能可以通过与环境的交互，不断地优化和改进控制策略，使得托卡马克装置中的等离子体控制更加精确和简便。

• 超过 85% 的聚变公司预测将于 2040 年前实现可控核聚变发电

核聚变工业协会（FIA）发布的 2023 年全球核聚变工业报告中对什么时候能够实现第一座聚变电厂向电网输送电能这一问题做出调研，有 40 家核聚变公司针对给出了预测。约 65% 的核聚变公司认为 2035 年前能够实现聚变发电，超过 85% 的聚变公司认为 2040 年前可以实现成功发电。

图表 16:40 家核聚变公司对于聚变发电时间的预测

资料来源：The global fusion industry in 2023，中金公司研究部

磁约束可控核聚变还有哪些核心 know-how 需要突破？

聚变堆的第一壁材料是实现可控核聚变的难点之一

第一壁材料是聚变堆中直接面对高温等离子体的材料，对于聚变堆的安全运行至关重要。第一壁材料的作用为：

1）当高温等离子体逃逸磁约束时，保护聚变堆的反应装置；

2）转移等离子体辐射到材料表面的热量，并通过冷却剂将热量带走，在二回路产生蒸汽；

3）发生故障时保护其他部件免受等高温离子体轰击。因此，必须确保第一壁材料拥有良好的性能，以维持聚变堆的安全运行。

图表 17：第一壁材料位置示意图

资料来源：《聚变堆第一壁钨材料辐照损伤与燃料滞留行为研究》，张学希，2022，《Approximation of the economy of fusion energy》，Slavomir Entler，2018，中金公司研究部

第一壁材料的服役环境恶劣，频繁受到高温等离子体轰击及高能中子辐照。第一壁材料与高温等离子体之间的相互作用会严重影响材料的热导率、力学性能和抗热冲击性能等。中子辐照会导致材料产生辐照肿胀，发生硬化和脆化，严重威胁聚变堆的安全稳定运行。

钨基合金可能是未来聚变堆理想的第一壁材料。钨具有高熔点、高热导率和低氢同位素滞留等优点，但其本身也存在一些缺陷，例如机械加工性差、韧脆转变温度较高、辐照硬化和脆化等。而向钨基体中添加少量碳化物、氧化物、以及合金化元素可以有效提高钨的性能。图表 18 显示钨基合金受到等离子体辐照后表面产生的气泡明显小于金属钨受同样辐照所产生的气泡。因此，未来聚变堆的第一壁材料很可能是改良后的钨基合金材料。

图表 18：钨及钨基合金受等离子体辐照后的变化

资料来源：《聚变堆第一壁钨材料辐照损伤与燃料滞留行为研究》，张学希，2022，中金公司研究部

• 氢滞留现象为燃料循环增加了难度

氢滞留是指氢同位素（主要是氚）在跟第一壁材料接触后，滞留在材料内部，导致难以回收的现象。由于氚燃料稀缺且昂贵，未来的商业聚变电厂需要实现氚的内部增殖。氚增殖的过程是在等离子体外部布置增殖层，氘氚反应生成的中子进入增殖层，并与其中的锂 6 发生反应生成氚。包层生成的氚经过提取、净化后重新加入到等离子体内部进行反应。而氚会与材料发生相互作用而导致氢同位素滞留在材料中，由于滞留带来的损耗可能打破氚循环，进而导致聚变堆无法正常运行。

图表 19：氘氚聚变反应堆氚循环示意图

资料来源： ITER 官网，中金公司研究部

• 长时间约束等离子体暂时难以实现

托卡马克等离子体中存在的各种不稳定性问题严重影响了等离子体约束。徐海文在《托卡马克中辐射与热传导对撕裂模不稳定性影响的模拟研究》（2022 年）中提到，托卡马克等离子体是一个极其复杂的体系，其中涉及的物理过程同时跨越了多个时空尺度；此外，宏观磁流体不稳定性、微观动理学不稳定性、边缘等离子体约束以及加热与波粒相互作用将会使长时间约束等离子体困难重重。

托卡马克芯部的强辐射不利于等离子体的自持。等离子体与第一壁材料相互作用会造成强辐射会明显降低托卡马克芯部的温度，而等离子体温度降低会导致电阻、电流的扰动，这些扰动严重影响等离子体的约束。另一方面，Vries 等人在其文章《The influence of an ITER-like wall on disruptions at JET》（2014 年）中指出，芯部强辐射将导致等离子体破裂，且伴随有强烈的磁流体不稳定性。

• 商业化可控核聚变需要更高的 Q 值

目前的聚变装置已经可以实现理论上的能量收支平衡，即 Q=1；正在建设中的 ITER 装置的设计 Q 值为 10，可以达到了自持发电的条件。但是，考虑到工程上的各种成本，一个在经济上具有竞争力的聚变电厂需要更高的 Q 值。Q 值是等离子体温度 T、密度 n 和约束时间τ的函数，而想要得到更大的 Q 值，则需要使等离子体密度 n 与约束时间τ的乘积越大。

图表 20：Q 值与等离子体温度 T、密度 n 和约束时间τ的关系

资料来源：《Progress toward fusion energy breakeven and gain as measured against the Lawson criterion》，Samuel E. Wurzel，2022，中金公司研究部

• 高温超导磁体仍存在技术难题

由超导材料制备的无阻磁体称为超导磁体，其结构紧凑、耗电量低，易于实现更高的磁场强度。临界温度 Tc，临界电流密度 Jc，和临界磁场 Hc，是超导体的 3 个临界参数，要使超导体处于超导状态，必须将其置于这 3 个临界值以下。在超导领域，根据超导材料临界温度的不同，将材料分为高温超导和低温超导。最高临界温度超过 “麦克米兰极限”（39K）的超导材料为高温超导材料，反之则为低温超导材料。

图表 21：常见超导材料类型及临界温度

资料来源：《基于 REBCO 高温超导带材的高场线圈设计与研制》，张新涛，2021，中金公司研究部

REBCO 材料不仅临界温度显著高于其他类型的超导体，且在高场和液氮温度下具有较高的临界电流密度以及优异的机械强度，因此在未来的高场磁体领域具有很大­­的应用潜力。但目前基于 YBCO 材料制备高场强的超导磁体仍存在一些技术难题：

► 带材的各向异性给磁体设计带来很大影响。YBCO 带材具有各向异性以及扁平的结构，使得磁体中各处的临界电流分布不均匀，而不均匀的电流密度会导致过大的应变，对超导磁体的安全运行造成威胁。

► 各种应力应变严重影响材料性能。超导带材在磁场中会受到各种应力，如带材绕制时的弯曲应力、环向电磁应力、材料热收缩导致的热应力等。这些应力会导致材料的性能受损，甚至发生断裂的情况。

► 线圈的接头设计难度较大。对于磁体线圈，包括内接头、外接头以及电流引线接头。目前的接头为锡焊的有阻接头，接头的设计需要尽可能减少接头电阻、提高其机械强度并避免焊接过程中超导带材发生性能衰退。因此焊接过程需要严格控制加热时间、加热温度、施加的压力、表面洁净度等。

核聚变电厂产业链图谱

核聚变电厂的组成

未来核聚变电厂主要由两大部分组成：托卡马克装置和汽轮机厂房。托卡马克中的等离子体通过聚变反应产生热量，将热量传输至热交换器把水加热为蒸汽，推动汽轮机转动，进而产生电能。

图表 22：核聚变电厂示意图

资料来源：FACTY 官网，中金公司研究部

托卡马克装置的组成

托卡马克装置的主体部分由一个环形真空室和一系列磁场线圈组成，不同方向的磁线圈在真空室中产生强大的磁场，约束等离子体在真空室中做螺旋式回旋运动。偏滤器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。低温装置主要用于冷却磁线圈并为装置内部提供所需的低温环境。探测装置主要提供关于等离子参数、中子参数、磁场测量等信息。

图表 23：托卡马克装置示意图

资料来源：《Approximation of the economy of fusion energy》，Slavomir Entler，2018，中金公司研究部

高温超导带材的组成

第二代高温超导带材具有较高的临界温度和电流密度，具有很好的性能和应用潜力。第二代高温超导带材的核心由超导层、缓冲层和基底层组成。其中，超导层是由高温超导材料制成，如钇钡铜氧化物（YBCO）。

图表 24：第二代高温超导带材结构

资料来源：上海超导官网，中金公司研究部

• 产业链图谱

上游主要为原材料，中游为组成聚变电厂的各类设备，下游为聚变电厂的主要应用。

图表 25：核聚变电厂产业链图谱

资料来源：《Approximation of the economy of fusion energy》，Slavomir Entler，2018，中金公司研究部

图表 26：核聚变电厂主要产业链及相关公司

资料来源：各公司官网，中金公司研究部

本文作者：中金曾韬团队，本文来源：中金点睛，原文标题：《可控核聚变：初探商业化进展》

分析师

曾韬 分析员 SAC 执证编号：S0080518040001 SFC CE Ref：BRQ196

刘烁 分析员 SAC 执证编号：S0080521040001

于寒 分析员 SAC 执证编号：S0080523070011 SFC CE Ref：BSZ993