摘要：1）核裂变（nuclear fission），即重元素的原子核分裂为质量较轻元素的原子核时所释放的能量。铀是核裂变的关键原料，铀原子在中子的轰击下会裂变为钡和氪，裂变时会产生大量能量，同时还会产生3个新的中子，激发其他铀原子裂变。目前核能发电用的主要是裂变技术

1.什么是核聚变？

在讲核聚变之前先聊一下核能，核能是一种清洁高效的能源，核变化释放的能量可以分为两种类型：

1）核裂变（nuclear fission），即重元素的原子核分裂为质量较轻元素的原子核时所释放的能量。铀是核裂变的关键原料，铀原子在中子的轰击下会裂变为钡和氪，裂变时会产生大量能量，同时还会产生3个新的中子，激发其他铀原子裂变。目前核能发电用的主要是裂变技术，核裂变技术还用于原子弹中。

2）核聚变（nuclear fusion），即小质量元素的原子核聚合成为重核所释放的能量。

氘和氚聚合在一起会产生氦和1个中子，同时可以释放出能量。

2.核聚变原理

理解了核能的两种形式之后，再聊核聚变就简单得多。核聚变是轻原子核在高温、高压等极端条件下克服电磁力，接近到强核力作用范围内，结合成较重原子核并释放能量的过程。

以常见的氘氚反应为例：³H+²H—→⁴He+10n+1.76×10⁷eV。

根据质能方程E=mc2，反应前后质量的微小亏损转化为能量释放。如一次氘氚核聚变反应，反应前氘核和氚核质量之和为8.355×10−27千克，反应后氦核和中子质量之和为8.324×10−27千克，质量亏损0.031×10−27千克，转化为约 17.6MeV 能量。

3.实现核聚变，必须满足三个关键条件：

足够高的温度、一定的密度和足够长的能量约束时间，这三者的乘积被称为聚变三重积。只有当聚变三重积达到或超过某一阈值时，聚变反应才有可能实现能量的净输出，这一判断标准被称为劳森判据。

（1）足够高的温度：

核聚变反应需要将燃料加热到极高的温度，通常需要达到 1 亿摄氏度以上。在这样的高温下，燃料粒子会处于电离状态，形成等离子体，高温使得原子核具有足够的动能相互碰撞，从而发生聚变反应；

（2）一定的密度：

核聚变反应需要燃料具有足够的密度，以确保原子核之间的碰撞概率足够高，只有当等离子体的密度达到一定水平时，原子核之间的碰撞频率才会增加，从而提高聚变反应的几率；

（3）能量约束时间：

核聚变反应需要在有限的空间内将高温、高密度的等离子体约束足够长的时间，以确保聚变反应能够持续进行，如果等离子体的能量在短时间内散失，反应将无法持续。

4.如何实现实现可控核聚变？

在核聚变反应过程中，燃料通常被加温到上亿摄氏度，科学家们提出了多种场约束技术，从理论层面而言，引力场、惯性力场、磁场是三种主要约束方式

，均具备约束聚变燃料并实现热核聚变反应的潜力。这里着重介绍磁约束。

磁约束核聚变则是利用强磁场来约束高温等离子体，使其在磁场的约束下保持在一定的空间范围内，从而实现核聚变反应。

在磁约束装置中，等离子体被磁场限制在磁场线形成的磁笼内，避免了等离子体与容器壁的直接接触，因为一旦接触，等离子体就会迅速冷却，无法维持核聚变所需的高温条件。磁约束核聚变的优点是可以实现长时间的稳定约束，为持续的聚变反应提供了可能。

目前，磁约束被公认为人类最接近实现聚变能应用的途径。而托卡马克，作为磁约束聚变路径的主流装置，更是备受瞩目。

托卡马克是一种用于约束等离子体的磁约束装置，其核心是通过磁场约束上亿度的聚变燃料。它主要由环向场线圈、极向场线圈和欧姆变压器线圈组成，形成螺旋状磁场约束等离子体。

托卡马克是目前全球各国投入最大、最接近核聚变条件、技术发展最成熟的途径。

二 核聚变的当前进展与商业化进程

1.托卡马克装置的崛起与发展

1958 年，苏联科学家成功发明了托卡马克装置，为可控核聚变研究开辟了新的道路。

这一创新性的装置主要由环形真空室、产生磁场的线圈和其他辅助设施组成。中央的环形真空室注满气体，外部缠绕的线圈在通电后，会在装置内部产生巨大的螺旋型磁场，使里面的气体电离成等离子体并形成等离子体电流，当等离子体被加热到极高温度后，便可实现核聚变 。其结构和原理的独特性，使得托卡马克装置在后续的可控核聚变研究中占据了主导地位。

在随后的发展历程中，托卡马克装置经历了从普通到超导，再到全超导的技术升级，每一次的技术突破都为可控核聚变的实现带来了新的希望。

20 世纪 70 年代末，苏联建造的 T-7 装置成为世界上第一个超导托卡马克装置，它在工程上成功验证了超导磁体能够在托卡马克上实现连续稳态运行。这一突破解决了常规托卡马克磁场线圈不能长时间负荷的问题，为聚变电站要求的数亿度等离子体稳态运行提供了可能。

2008 年，HT-7 实现了长达 400s 的等离子体放电，创造了当时国际同类装置中时间最长的等离子体放电纪录，这一成果展示了中国在超导托卡马克研究领域的重要进展。

2.国内外发展及商业化情况

除了托卡马克装置的技术演进，国际热核聚变堆 ITER 项目也是可控核聚变研究领域的一项重大国际合作。

ITER 由中国、美国、欧盟等 7 国共同建设，总投资高达 200 亿欧元。该项目旨在建造一个能够实现大规模核聚变反应的实验堆，以验证核聚变能源的可行性和实用性。

ITER 可分为主体部分和配套系统，主体部分包括磁体系统、真空室、真空杜瓦、包层模块、偏滤器等，配套系统则包括电源系统、加热与电流驱动系统、冷却水系统、诊断系统、低温系统等 。

国内承担了 ITER 装置 9% 的采购包任务，中科院等离子体物理研究所作为中方任务的主要承担单位，自 2009 年以来主持了超导导体、校正场线圈、磁体馈线系统等制造任务，为 ITER 项目的顺利推进做出了重要贡献。

我国在可控核聚变领域同样取得了显著的成果，关键技术已达到全球领先水平。

近年来，全球可控核聚变商业化投资呈现出加速的趋势。

根据美国聚变能产业协会（FIA）于 2023 年 7 月发布的《2023 年聚变能产业报告》，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。

参与 FIA 调查的聚变能公司数量也在不断增加，2023 年达到 43 家。其中，26 家公司认为聚变供电将在 2035 年之前实现，19 家公司认为随着成本下降、效率提升，可控核聚变将在 2035 年前显示出商业可行性，这反映出行业对于聚变发展的信心不断增强。

三 可控核聚变产业链

可控核聚变产业链上游为原材料，包括第一壁材料钨、高温超导带材原料REBC0和氚氚燃料。

中游为相关设备，核心设备包括超导磁体、第一壁和偏滤器，其中超导磁体占总投资成本约40-50%。

高温超导磁体可大幅提升磁场强度，是装置运行的核心部件，第一壁的作用是控制进入等离子体的杂质、传递辐射到材料表面的热量等，偏滤器的作用是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。

产业链下游为应用环节，核聚变技术主要用于发电、医疗、科研等领域。

上游：关键原材料的基石作用

可控核聚变产业链的上游主要聚焦于关键原材料的供应，这些原材料对于整个核聚变反应的实现和装置的稳定运行起着不可或缺的基石作用。其中，第一壁材料钨、高温超导带材原料 REBCO 和氘氚燃料是最为关键的组成部分。

第一壁材料作为直接面对等离子体的关键部件，其性能直接影响到核聚变装置的安全性和稳定性。钨基合金凭借其高熔点、高热导率、低溅射产额和高自溅射阈值、低蒸气压和低氚滞留性能等优势，成为未来聚变堆理想的第一壁材料。

高温超导带材原料 REBCO 同样在可控核聚变产业链中占据着重要地位。超导材料所具备的零电阻、完全抗磁性和宏观量子效应，能够为核聚变反应提供更强的磁场，从而极大地提升核聚变装置的性能。随着可控核聚变技术的不断发展，对高温超导带材的需求呈现出快速增长的趋势。一个聚变托卡马克的超导材料用量超过 1 万公里，而在 2020 年，全球超导带材的产能仅为 3000 公里。

中游：核心设备的技术担当

中游环节是可控核聚变产业链的技术核心，主要包括超导磁体、第一壁和偏滤器等核心设备，这些设备的性能和质量直接决定了核聚变装置的运行效率和稳定性。

超导磁体作为核聚变装置的核心部件，在投资成本中占据着重要的比例，约为 40 - 50%。其主要作用是产生强大的磁场，用于约束高温等离子体，确保核聚变反应能够在稳定的环境中进行。

高温超导磁体相较于目前广泛使用的低温超导磁体，能够大幅提升磁场强度，从而提高核聚变反应的效率和稳定性。2021 年 9 月，美国麻省理工 CFS 团队成功研制出全球首个可用于核聚变的 20 特斯拉高温超导磁体，这一成果标志着高温超导核聚变装置正式进入功能样机研制阶段，为可控核聚变的商业化应用迈出了关键一步。

偏滤器通常位于真空室的上下方，是磁约束核聚变装置中最为关键的系统之一。

其主要作用是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，从而保护真空室壁面不受等离子体的侵蚀。偏滤器还需要排出核聚变反应过程中所产生的氦灰等产物，并提取有用的热量用于发电。

下游：多元应用的广阔前景

下游环节是可控核聚变技术实现价值转化的关键领域，其应用范围广泛，涵盖了发电、医疗、科研等多个重要领域。

在发电领域，

可控核聚变具有巨大的应用前景和商业价值。核聚变反应释放出的大量核能，通过核电站转化为电能的过程相对清洁高效。与传统的化石能源发电相比，核聚变发电具有能量密度高、原料来源丰富、安全可靠、不产生放射性废物等诸多优势，每单位质量的聚变燃料释放出的能量是裂变的 4 倍，且聚变燃料如氘和氚在地球上储量丰富，几乎取之不尽。

在科研领域，可控核聚变技术的研究和应用推动了众多前沿科学的发展。它为等离子体物理、材料科学、超导技术等学科提供了重要的研究平台和实验对象，促进了这些学科的理论和技术突破。通过对核聚变过程的深入研究，科学家们可以更好地理解物质在极端条件下的行为和相互作用，探索新的物理规律和现象，为人类认识宇宙和自然界提供了新的视角和方法。

四 可控核聚变相关公司

在可控核聚变这一充满挑战与机遇的领域，从材料供应商到设备制造商，再到综合服务商，每个环节都有企业崭露头角，它们的努力和创新为可控核聚变的商业化进程注入了强大动力。

Φ 材料供应商：撑起产业根基

久盛电气:

作为防火特种电缆领域的佼佼者，其产品在核聚变项目中展现出了重要价值。

在核聚变装置中，电缆承担着传输电力和信号的关键任务，其安全性和稳定性直接影响着装置的运行。

久盛电气的防火特种电缆凭借卓越的防火性能，能够在高温、高压等极端环境下保持稳定的工作状态，有效避免了因电缆故障引发的安全隐患。

在核聚变反应过程中，会产生强烈的辐射和高温，普通电缆很容易受到损坏，而久盛电气的防火特种电缆采用了特殊的材料和工艺，能够抵御辐射和高温的侵蚀，确保电力和信号的稳定传输，为核聚变装置的安全运行提供了可靠保障 。

西部超导:

在低温超导材料领域具有深厚的技术积累和领先的市场地位。公司拥有先进的生产工艺和设备，能够生产出高质量的低温超导线材，产品性能达到国际先进水平。

在 ITER 项目中，西部超导承担了重要的低温超导线材供应任务，为项目的顺利推进提供了关键材料支持。

其生产的低温超导线材具有高临界电流密度、低交流损耗等优点，能够满足 ITER 项目对超导材料的严格要求。在核聚变装置中，低温超导材料用于制造超导磁体，西部超导的产品能够帮助超导磁体产生强大的磁场，有效约束等离子体，为核聚变反应的进行创造条件 。

Φ 设备制造商：推动技术突破

国光电气:

在核聚变设备制造领域取得了显著成果，其生产的偏滤器和包层系统是 ITER 项目的关键部件。

偏滤器在核聚变装置中起着控制等离子体与真空室壁面相互作用的重要作用，国光电气的偏滤器采用了先进的设计和制造工艺，能够有效减少壁面的热负荷和粒子轰击，提高核聚变装置的运行效率和稳定性。公司还完成了制造调试的真空高温氦检漏设备，这是全球首台满足 ITER 要求的包层部件的大型真空高温氦检漏设备，为 ITER 项目的质量控制提供了重要保障 。

安泰科技:

旗下的控股子公司安泰中科在可控核聚变领域深耕细作，研发生产的偏滤器全钨复合部件、钨铜复合部件等产品成功应用于我国 “人造太阳” EAST 科学工程装置和国际热核聚变实验堆 ITER 项目。

其中，钨偏滤器被认为是在核聚变领域最难生产和制造的部件之一，安泰中科凭借其先进的技术和精湛的工艺，攻克了这一技术难题，为中国可控核聚变实现全球领跑做出了重要贡献。公司的产品具有高熔点、高热导率、抗中子辐照等优良性能，能够在核聚变装置的恶劣环境下稳定工作 。

Φ 综合服务商：提供全面支持

上海电气和东方电气：

作为能源领域的综合性企业，在核聚变领域具备强大的综合服务能力。在主机系统制造方面，它们拥有先进的技术和丰富的经验，能够制造出高质量的蒸汽发生器、汽轮机等关键设备。

蒸汽发生器在核聚变发电过程中起着将核能转化为热能，再将热能传递给二回路水产生蒸汽的重要作用，汽轮机则是将蒸汽的热能转化为机械能，进而带动发电机发电的关键设备，它们制造的汽轮机具有高转速、高效率、低能耗等优点，能够提高发电效率 。

在项目整体推进过程中，上海电气和东方电气凭借其完善的产业链布局和强大的资源整合能力，能够为核聚变项目提供从设计、制造、安装到调试的一站式服务。

在核聚变项目的建设过程中，涉及到多个环节和众多设备的协同工作，需要有一个具备综合能力的企业来统筹协调。上海电气和东方电气能够充分发挥其优势，与科研机构、材料供应商、设备制造商等各方紧密合作，确保项目的顺利进行。

总结：

可控核聚变作为人类能源未来的希望之光，正逐步从科学幻想走进现实。

从原理上看：核聚变利用轻原子核在极端条件下的聚合，释放出巨大能量，其反应过程遵循能量守恒定律，展现出无与伦比的能量优势。

在当前进展中，全球各国在托卡马克装置、ITER 项目等方面不断突破，商业化投资也日益活跃，虽然面临技术、经济和市场等多重挑战，但前景依然广阔。

产业链上：从上游关键原材料的供应，到中游核心设备的制造，再到下游多元应用的探索，各个环节都在稳步推进，文中相关企业也在各自领域积极布局，推动产业发展。相信在全球科研人员和企业的共同努力下，可控核聚变将在未来为人类能源格局带来革命性的变革 。

来源：全产业链研究