根據市場調研發現，在全球及中國的發展態勢方面，國際上多個國家和地區積極參與可控核聚變研究，通過國際合作與自主研發不斷推進技術進步，中國在科研機構與項目上成果豐碩，EAST 和中國環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，商業應用探索也初見成效，眾多企業積極投身于核聚變商業化應用的探索。

一、可控核聚變行業概述?

1、定義與原理?

可控核聚變的英文名稱為 Controlled nuclear fusion，是指在一定條件下，通過精確控制核聚變的速度和規模，從而實現將核聚變產生的能量有效應用于社會生產和人類生活的目的。核聚變作為一種能釋放出巨大能量的原子核反應形式，其過程是輕原子核，例如氘和氚，結合成較重原子核，例如氦時，會放出巨大能量。在這一過程中，物質并不守恒，因為有一部分正在聚變的原子核的物質會轉化為光子，也就是能量，這一現象遵循愛因斯坦質能方程 E=mc²。?

根據北京研精畢智信息咨詢發布的調研報告指出，實現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，同時產生更多中子，引發鏈式反應。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合能更高，意味著有更多結合能釋放。在反應條件上，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，而核裂變在較低的溫度和壓力下就可以發生，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保。?

2、發展歷程?

全球可控核聚變技術的發展源遠流長，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生核反應，物理學家阿斯頓發現 He (4) 原子的質量比組成氦的四個氫原子質量的總和小約 1%，為核聚變的研究提供了重要依據。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中的庫侖勢壘隧穿效應，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條件，進一步推動理論發展。?

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研究，一些可控聚變的概念及相應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，蘇聯也在進行受控磁約束的探索，1951 年，阿根廷的羅納德?里希特（Ronald Richter）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庫爾恰托夫原子能研究所建成，并在這個裝置上實現了聚變反應，盡管產生的能量極微，放電時間僅維持了 300μs ，但為后續研究奠定基礎。1957 年，在日內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堆中能量平衡的勞森判據。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 - 3 Tokamak 上克服等離子體的宏觀穩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上最成熟，進展也最快，逐漸顯示出其獨特優勢，成為磁約束核聚變研究的主流。1963 年，蘇聯科學家巴索夫和中國科學家王淦昌獨立提出用激光實現受控熱核聚變反應的構想。1976 年，美國、蘇聯倡議在 IAEA 的框架下由美國、歐洲、日本及俄羅斯共同建造 ITER（International Tokamak Experimental Reactor，國際托卡馬克實驗反應堆），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，歐洲聯合環 (JET) 和美國 TFTR 氘氚放電實驗，展現了核聚變存在工業利用的前景。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 1 億度運行，標志著聚變反應堆運行邁出關鍵一步。2020 年，ITER 開始安裝，計劃在 2025 年底首次等離子體放電。2021 年，中國核聚變穩定運行時間破 1,000 秒，中國 EAST 實驗裝置實現了 1056 秒的長脈沖高參數等離子體運行。2023 年，歐洲 JET 創造 69 兆焦耳能量紀錄，歐洲聯合核聚變實驗裝置 (JET) 在約 5 秒內持續產生 69 兆焦耳的能量，打破世界紀錄。2024 年，MIT 技術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，推動能源商業化；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發展也經歷了多個重要階段。1956 年《十二年科技規劃》，核聚變研究被列入國家科技發展計劃，標志中國正式啟動探索。1958 年，受蘇聯技術啟發，蘇聯公開磁鏡裝置研究成果，中國科研團隊吸收相關知識，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，核聚變研究經費被大幅削減，科研骨干被調往兩彈研制任務，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，蘇聯公開托卡馬克裝置實驗數據，引發全球托卡馬克研究熱潮。1984 年，中國環流器一號（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，開啟全球技術協作。?

2006 年，全超導托卡馬克裝置（東方超環）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 411 秒長脈沖放電，突破百秒級穩態運行，驗證超導磁體穩定性；2017 年創高約束模式紀錄，實現 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 1.2 億度 101 秒、1.6 億度 20 秒運行，突破穩態高溫極限；2023 年實現 403 秒高約束運行，進一步優化長脈沖控制技術；2025 年 1 月實現 1 億攝氏度下 1066 秒的高約束模等離子體運行，創世界紀錄；2025 年 4 月實現 300S，1.5 億攝氏度下穩定運行。?

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，“中國環流三號”（China Circulation 3）建成并實現首次放電，2025 年 3 月首次實現原子核和電子溫度均突破一億度，中國可控核聚變技術取得重大進展，實驗數據顯示，中國核聚變裝置首次實現原子核溫度 1.17 億度、電子溫度 1.6 億度的參數水平，標志著中國可控核聚變向工程化應用邁出重要一步。2022 年，中國完成 ITER 項目中磁體饋線系統等關鍵部件交付，技術貢獻占比約 9% 。?

二、可控核聚變行業技術現狀?

1、主要技術路徑?

2.1.1 磁約束核聚變?

磁約束核聚變（Magnetic Confinement Fusion，MCF）是利用特殊形態的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處于熱核反應狀態的超高溫等離子體約束在有限的體積內，使它受控制地發生大量的原子核聚變反應，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，避免與容器壁接觸，實現核聚變反應的持續進行。?

托卡馬克（Tokamak）是磁約束核聚變研究中最具代表性且發展最為成熟的裝置。它的結構呈環形，主要由環形真空室、強磁場系統、等離子體加熱系統、真空抽氣系統、冷卻系統以及診斷測量系統等部分組成。其中，強磁場系統由環向場線圈、極向場線圈和中心螺線管等構成，環向場線圈產生環繞環形真空室的環向磁場，使等離子體沿環形軌道運動；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電流來加熱等離子體并驅動等離子體電流，維持等離子體的穩定運行。等離子體加熱系統采用多種加熱方式，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，發生聚變反應，釋放出大量能量。?

經過多年的研究和發展，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生大規模核聚變反應的實驗堆，驗證核聚變能源的可行性。ITER 裝置設計總聚變功率達到 5×10^5kW ，計劃在 2025 年底實現首次等離子體放電。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 實現了 1 億攝氏度下 1066 秒的高約束模等離子體運行，創造了新的世界紀錄，標志著我國在磁約束核聚變領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，仿星器的磁場結構更為復雜，但其具有無需外部電流驅動、穩態運行的優勢，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定性問題，如等離子體破裂等。仿星器的線圈系統設計獨特，由多個形狀不規則的線圈組成，這些線圈產生的磁場相互交織，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”（Wendelstein 7-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的等離子體約束水平，相關成果發表在《Nature》期刊上，這意味著先進仿星器有潛力成為實現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（Laser Inertial Confinement Fusion，ICF）的原理是利用高功率激光束從各個方向均勻照射聚變燃料靶丸，使靶丸表面的物質迅速蒸發和電離，形成等離子體。等離子體向外膨脹的同時產生反作用力，將靶丸向中心壓縮，使靶丸內的氘、氚燃料在極短時間內被壓縮到極高的密度和溫度，引發核聚變反應。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，實現能量的釋放。?

實現激光慣性約束核聚變主要有直接驅動法和間接驅動法兩種方式。直接驅動法是將激光束直接照射在靶丸表面上，其優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生不穩定性，使靶殼破壞，降低壓縮效果，此外，激光功率的耦合效率（5% - 10%）和重復發射脈沖的頻率（每秒輸出 1 - 10 個激光脈沖）都不夠高。間接驅動法是將含有聚變燃料的靶丸懸在一個用高 Z 材料（如金）做成的小腔內，激光束通過腔壁上的小孔照射在腔的內壁上，腔壁表面物質吸收激光束的能量后溫度升高，產生軟 X 射線，軟 X 射線均勻地照射在腔內靶丸上將其燒蝕，經過向心爆聚等過程產生熱核聚變反應。間接法的優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，實現對稱爆聚；缺點是激光通過時等離子體會驅動參量不穩定性，而且激光束能量的利用效率不及直接驅動法高。?

美國國家點火裝置（National Ignition Facility，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域的最高技術水平。NIF 擁有 192 束高功率激光，總能量可達 1.8 兆焦耳，能夠產生高達 500 萬億瓦的峰值功率。2022 年，NIF 取得了重大技術突破，首次實現了核聚變反應的 “點火”，即核聚變產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，實現了 50% 的能量凈增益 ，這是激光慣性約束核聚變領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，目前其實現的 “點火” 是在極短時間內的單次脈沖反應，難以實現持續穩定的能量輸出，距離實際的商業應用還面臨著工程技術、成本效益等多方面的挑戰，如激光系統的效率較低、運行成本高昂、靶丸的制備和填充技術復雜等問題，需要進一步的研究和技術創新來解決。?

2、關鍵技術難題與突破?

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，性質極為復雜且不穩定，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的持續進行和能量輸出。在托卡馬克裝置中，等離子體電流的不穩定性可能引發等離子體破裂，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，通過實時監測等離子體的參數，如溫度、密度、位置和形狀等，利用強大的計算機控制系統快速調整磁場位形和加熱功率，以維持等離子體的穩定。在 EAST 裝置中，科研團隊研發了先進的等離子體控制算法，實現了對等離子體的精確控制，使其能夠在長時間內保持穩定運行。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，降低了雜質的摻入，提高了等離子體的約束性能。?

材料科學是制約可控核聚變發展的另一關鍵因素。核聚變反應產生的高溫、高壓以及強烈的中子輻照，對裝置內部材料的性能提出了極高要求。目前，核聚變裝置面臨的材料問題主要包括材料的抗輻照性能、耐高溫性能和抗腐蝕性能等。在 ITER 裝置中，第一壁材料需要承受高達 1 億攝氏度的高溫和強烈的中子輻照，傳統材料難以滿足要求。近年來，科研人員致力于研發新型材料，如低活化鋼、碳化硅復合材料等。低活化鋼具有較低的放射性活化特性，在受到中子輻照后，其放射性衰變較快，降低了對環境和人員的危害；碳化硅復合材料則具有優異的耐高溫、高強度和低中子輻照損傷等性能，有望成為未來核聚變裝置的關鍵結構材料。通過材料設計和制備工藝的創新，這些新型材料的性能不斷提升，為核聚變裝置的建造和運行提供了有力支持。?

能量轉換是實現可控核聚變商業化應用的重要環節，如何高效地將核聚變產生的能量轉換為電能，是當前研究的重點之一。核聚變反應產生的能量主要以高能中子和帶電粒子的形式存在，目前主要采用的能量轉換方式是通過包層中的中子增殖材料將中子能量轉化為熱能，再利用傳統的熱力循環系統將熱能轉換為電能。然而，這種能量轉換方式效率較低，且存在能量損失大、系統復雜等問題。為提高能量轉換效率，科研人員提出了多種創新方案，如直接能量轉換技術，利用帶電粒子在磁場中的運動特性，將其動能直接轉換為電能，減少了中間能量轉換環節，有望大幅提高能量轉換效率。此外，對新型能量轉換材料和系統的研究也在不斷推進，通過優化材料性能和系統設計，提高能量轉換效率和穩定性，為可控核聚變的商業化應用奠定基礎。

北京研精畢智信息咨詢有限公司（XYZResearch），系國內領先的行業和企業研究服務供應商，并榮膺CCTV中視購物官方合作品牌。公司秉持助力企業實現商業決策高效化的核心宗旨，依托十年行業積累，深度整合企業研究、行業研究、數據定制、消費者調研、市場動態監測等多維度服務模塊，同時組建由業內資深專家構成的專家庫，打造一站式研究服務體系。研精畢智咨詢憑借先進方法論、豐富的案例與數據，精準把脈市場趨勢，為企業提供權威的市場洞察及戰略導向。