如果您对文章有更深入的见解与想法，可以联系本文作者：南京市创新投资集团产业研究中心 罗焱曦luoyx@njicg.com

PART.01 可控核聚变的含义及特点

可控核聚变又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应，是指在一定条件下（超高温、高压），由质量较小的原子核（通常是氘和氚）互相聚合生成新的质量更重的原子核，同时释放出巨大能量的过程。

可控核聚变的核心特点可概括为“高效、清洁、安全、无限”：高效是指可控核聚变的能量密度极高（核裂变的4倍、化石能源的近400万倍）；清洁是指可控核聚变在反应过程中不产生放射性废物或排放温室气体；安全是指可控核聚变在不满足条件时会自动终止反应，不会出现“失控”链式反应；无限是指可控核聚变可利用的轻元素燃料储量极其丰富（氘、氢、硼）或可通过反应制备（氚），从而实现燃料的无限性。

图表1 所有人都见过可控核聚变——太阳

PART.02 为什么要发展可控核聚变技术

近年来，AI算力快速发展带动电力需求激增，叠加各国愈加重视能源安全自主及长期绿色能源的储备，可控核聚变发电技术关注度持续提升。

2023年，国务院国资委明确可控核聚变领域为未来能源的唯一方向。2025年，可控核聚变被“十五五”规划列入六大未来产业之一。2026年，中国首部《原子能法》明确了对聚变装置的监管方式与监管范围，以立法形式鼓励聚变发展。2026年3月5日，《2026年国务院政府工作报告》首次提出实施超大规模算电协同等新基建工程，培育发展未来能源等产业。

图表2 算电协同示意图

PART.03 可控核聚变的发展历程

从核电技术视角看，中国核能发展“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略体系中，聚变堆是核能发展的终极目标。

从核聚变技术本身来看，国内可控核聚变研究始于1956年钱三强等科学家的倡议，此后，1965年我国成立聚变能开发专业研究基地，1984年建成我国核聚变领域第一座大科学装置——中国环流器一号（HL-1）托卡马克装置。

近年来，以可控核聚变为代表的未来能源系统战略重要性持续提升，政策支持不断加大，如今我国可控核聚变关键技术已接近全球领先水平。

图表3 中国HL-3托卡马克装置示意图

PART.04 可控核聚变的分类

按燃料类型划分，可控核聚变包括氘氚、氘氘、氘氦、氢硼四种路线，每种聚变反应都有其优势和挑战。

其中氘氚路线点火条件最低，相对容易实现，被视为第一代可控核聚变技术，是目前可控核聚变的主要研究方向。

氘-氘聚变虽然环境要求较低，但能量产出也较低，且产生的中子较多，对材料的损伤较大，被视为第二代可控核聚变技术。

由于不产生高能中子，氘氦与氢硼路线被视为最清洁的第三代可控核聚变技术。

图表4 可控核聚变的分类（按发电燃料分）

数据来源：南创投·产业研究中心整理。

PART.05 可控核聚变的实现条件

实现可控核聚变反应满足一定的密度（n）、一定的能量约束时间（τ）足够高的温度（T）三个条件，三者的乘积被称为聚变三重积。

三重乘积是核聚变反应达到“点火”状态（指核聚变反应能够自维持而不需要外部能量输入）的关键指标，其本质是使氢原子在高温高压条件下持续反应。

如果把聚变点火比作烧开一壶水，那么等离子体温度类似能把水加热到多热（地球上需要将等离子体加热到一亿度以上），等离子体密度类似壶里有多少水（水太少，即使烧的很热，总热量也不够），能量约束时间类似壶的保温性能（如果壶不保温，热量流失很快，那么需要持续投入巨大的能量来弥补损失）。

图表5 聚变三重积示意图

劳森判据是评估核聚变能否实现能量盈利的基本标准，理论上只要三重乘积超过了劳森判据的特定值（达到1022），聚变的输出功率等于为驱动反应而输入的功率，核聚变就能自行维持，实现能量的净输出。

能量增益因子（Q值）指输出能量与输入能量之比。当Q=1时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；当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；一般认为商业聚变堆至少需要Q值达到10~30。高三重乘积是获得高Q值的必要不充分条件，达到三重乘积的阈值，理论上就能实现对应的Q值，但工程上还需要解决等离子体稳定性、杂质控制、排灰等一系列复杂问题。

图表6 能量增益因子（Q值）对可控核聚变的意义

PART.06 可控核聚变的工程难题

目前第一代可控核聚变技术（氘氚聚变）是业界努力掌握的主要目标，其对应的三大工程难题分别为等离子体控制、抗中子辐照材料以及燃料氚自持。

上一节提到可控核聚变成功点火需要达到一定的聚变三重积要求，目前来看，温度方面能通过现有技术（如中性束注入、射频波加热）将等离子体加热到超过1亿摄氏度；密度方面需要达成一定的密度平衡，现有托卡马克装置一般运行在中等密度；能量约束时间是目前的核心难题，等离子体极其不稳定，热量和粒子会通过湍流、辐射等方式快速流失，目前聚变产业核心研究课题即为如何优化磁约束位型以提高能量约束时间，从而实现等离子体的稳定运行。

氘氚聚变将产生能量高达14.1MeV的高能中子，高能中子不带电，不受磁场约束，会直接向外撞击导致材料损伤及放射性活化。可以说，“材料关”是继“等离子体物理关”后氘氚聚变能源走向实用化的最严峻挑战，它直接决定了未来聚变电站的寿命、经济性和安全性。值得注意的是，氘氦、氢硼这两个路线基本不产生高能中子，此类路线无需面临抗中子材料的问题。

氚的半衰期约为12年，在地球上储量极少且价格高昂，制备氚并使之自持也是目前氘氚聚变工程领域尚待验证的核心关键技术。据测算，1GW级聚变电站每年需要消耗56kg氚。目前，氚只能从重水堆中获取，乐观估计重水堆每年产氚量大约3kg，难以满足聚变堆的运行需求。因此，聚变堆在投入首炉氚后，氚原料必须通过锂包层实现自持。

PART.07 从工程角度看可控核聚变所孕育的投资机会

等离子体稳定运行方面，为避免出现等离子体电流破裂等现象，目前最常用的解决方式是通过持续的外加强磁场约束。常规磁线圈在产生磁场的同时也会产生电流热，需要持续冷却和间断运行以防过热。超导材料由于具有显著的零电阻特性，几乎不产生电阻热，可以通过强大的电流稳定地产生强磁场，借助超导技术理论可以解决电阻和损耗的问题，以极大提升等离子体的约束时间。由于高温超导较低温超导具备工作温度高、磁场强度高、机械性能佳等优势，被视为可控核聚变的理想超导带材。目前国内的高温超导代表公司包括上海超导、东部超导、翌曦科技、超磁新能等。

图表7 低温超导与高温超导对比

数据来源：南创投·产业研究中心整理。

抗中子辐射材料方面，目前研究主要围绕聚变堆的第一壁/包层展开，目标是找到能在极端环境（高温、高剂量中子辐照、热应力、氚滞留）下长期稳定工作的材料。目前有潜力的材料包括低活化钢、碳化硅复合材料、钒合金、钨合金等，代表公司如安泰科技、西部材料、禾材高科、迈科核盾等。

氚自持方面，核心在于解决氚增殖包层与氚燃料循环系统的协同。氚增殖包层位于等离子体之外，其核心功能是利用聚变产生的高能中子与锂反应生成新的氚，主要技术路线包括固态增殖包层与液态增殖包层。氚燃料循环系统负责氚的提取、分离、纯化、储存、输送与注入，商用级应用对氚回收循环效率要求极高（>99.9%）。

图表8 氚自持技术路线对比

数据来源：南创投·产业研究中心整理。

此外，值得注意的是即使解决氚自持问题，仍需解决初始氚库存的“点火”燃料问题。目前较有潜力的开源方案是建立专用产氚裂变堆以增加全球氚产能，主要包括基于现有裂变堆改造、专用产氚裂变堆、加速器驱动次临界系统（ADS）与聚变-裂变混合堆四条技术路线，其产氚潜力与技术难度依次递增。

图表9 裂变堆氚增殖技术路线对比

数据来源：南创投·产业研究中心整理。

来源：产业研究中心 罗焱曦

审核：薛瑶

发布：尤异