一周解一惑系列：可控核聚变最新进展及其系统结构拆分

本周关注：恒立液压、灿勤科技、三一重工、博众精工 可控核聚变商业化进展不断推进。可控核聚变美国聚变工业协会发布的《2024年聚变能产业报告》显示，核聚变产业在世界范围内已吸引超过71亿美元的投资，全球核聚变企业总数达45家，其中包括中国的新奥能源、能量奇点等。此外2025年以来，可控核聚变领域技术突破不断：1）3月6日国光电气携手天府创新能源研究院，布局聚变裂变混合能源产业。2）2月28日，中国核电、浙能电力拟分别增资10亿元、7.5亿元参股中国聚变能源有限公司，前瞻性布局核聚变能源领域。3）2月28日，美国核聚变商业公司-Helion Energy宣布计划在华盛顿马拉加建造世界首座核聚变发电厂。4）1月，EAST装置首次完成了1亿摄氏度1066秒“高质量燃烧”。 我国计划在2050年前后建成商业聚变示范电站，实现磁约束聚变能源的商业化应用。自20世纪90年代起，我国稳步推进托卡马克研究，先后建成了合肥超环（HT-7）（目前退役）、中国环流器二号（HL-2A）、东方超环（EAST）等装置，相关装置的建设和运行为我国聚变研究提供了重要平台。为了推进聚变能源商业化的目标，我国自主制定了磁约束聚变能源发展路线图，分为3个关键阶段：推动CFETR立项并开始装置建设，形成聚变技术实践的基础条件；计划2035年完成CFETR建设，调试装置运行并进行物理实验，逐步验证聚变能源的可行性与稳定性；在CFETR装置上进行磁约束聚变能源的难点技术探索，计划2050年前后建成商业聚变示范电站，实现磁约束聚变能源的商业化应用。 可控核聚变当下主要面临能量平衡、氚自持、可利用率、耐辐照能力4个方面的难题。能量平衡、氚自持、可利用率、耐辐照能力4个指标最为关键，可用于各种聚变堆的技术性能差异比较。聚变能源发展需要跨越4个里程碑节点：节点1为当前的领域最优水平；节点2为ITER水平；节点3为聚变商业示范堆（DEMO）水平；节点4为第一代商业堆水平。近年来，各种聚变技术路线均取得显著进步，但面向能源应用的聚变技术路径尚未获得闭环验证，相应开发工作面临着多重挑战。跨越这4个节点后，聚变能源还面临经济竞争力差的困境。 托卡马克装置主要包含磁体系统、偏滤器系统、真空室系统、屏蔽包层系统等核心子系统。1）在磁约束可控核聚变装置中，产生约束磁场的磁体系统扮演着核心角色，其磁场强度与均匀性对于整个装置的性能与效率均有着重要影响。2）作为托卡马克装置中最重要的组成部分，偏滤器由穹顶板、内外靶板、抽气系统和冷却系统组成。EAST装置中内、外靶板是受等离子体轰击最激烈的区域，同时也是装置中热负荷最严苛的区域。3）真空室位于磁体与冷屏之间，包含主体和窗口两个部分。主体是一个环截面为D型的双层结构，由位于地面上的柔性重力支撑部件支撑着。在内外壳之间填充硼化冷却水以屏蔽中子，为聚变反应的安全进行提供第一道安全屏障。4）ITER包层根据功能可以分为屏蔽包层和增殖包层。屏蔽包层的作用主要是屏蔽中子辐射、减少放射性物质扩散以及保护真空室、磁体等，而增殖包层的主要作用是增殖氚以实现燃料自持。 投资建议：建议关注可控核聚变相关标的：联创光电、国光电气。 风险提示：1）可控核聚变突破不及预期。2）下游需求波动风险。3）国内外政策推动不及预期。 1可控核聚变最新进展 近年来，关于可控核聚变的研究消息可谓是捷报频传，我国的“东方超环”和“环流三号”托克马克大科学装置，在高约束模等离子体模式下实现了长脉冲、大电流、先进磁场结构等一系列新的突破；虽然国际热核聚变堆（ITER）的运行计划从2020年可能推迟到了2039年，但中国聚变工程实验堆(CFETR)已明确2035年左右建成、2050年实现聚变电网的目标；随着民间资本的投入，越来越多的国内外商业公司也加入了核聚变的赛道，可控核聚变的时代似乎正在加速到来。 1.1可控核聚变商业化进展不断推进 国光电气携手天府创新能源研究院，布局聚变裂变混合能源产业。2025年3月6日，国光电气与天府创新能源研究院等股东共同出资成立先觉聚能科技（四川）有限公司，标志着国光电气在聚变裂变混合能源领域的战略布局迈出了重要一步。先觉聚能定位为支撑天府创新能源研究院发展的市场化机构，将与天府创新能源研究院共同构建起“研究院+公司”相互支撑的聚变裂变混合能源事业核心组织架构。其股东方包括天府创新能源研究院、成都国光电气股份有限公司、深圳前海捷创资本管理有限公司等等。 中国核电、浙能电力共同增资参股中国聚变能源有限公司，战略布局可控核聚变。2025年2月28日，中国核电、浙能电力拟分别增资10亿元、7.5亿元参股中国聚变能源有限公司。本次投资，旨在响应国家未来产业战略发展要求，落实核能“三步走”战略，推动聚变产业发展，前瞻性布局核聚变能源领域，为未来聚变堆商业化应用打下基础。 美国核聚变商业公司-Helion Energy宣布计划在华盛顿马拉加建造世界首座核聚变发电厂。2025年2月28日，总部位于美国华盛顿埃弗雷特的核聚变商业公司-Helion Energy宣布计划在华盛顿马拉加建造世界首座核聚变发电厂。该项目选址在哥伦比亚河附近奇兰县（Chelan County）一侧，靠近罗克岛水电站。 根据Interesting Engineering的报道，该发电厂容量为50MW，预计在2028年开始发电。 EAST装置首次完成了1亿摄氏度1066秒“高质量燃烧”。2025年1月中旬，有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（英文简称为“EAST”）在安徽合肥创造了新的世界纪录，该装置首次完成了1亿摄氏度1066秒“高质量燃烧”，标志着我国聚变能源研究实现了从基础科学向工程实践的重大跨越。 国家重大科技基础设施综合极端条件实验装置通过国家验收。2025年2月26日，国家重大科技基础设施——综合极端条件实验装置迎来关键节点，顺利通过国家验收。此装置可创造极低温、超高压、强磁场、超快光场等极端实验条件，将为物质科学等领域基础研究提供有力支撑。极低温、超高压、强磁场等极端条件是推动重大科学发现的“利器”。在这些极端条件下，物质特性会受到调控，有利于发现物质新现象、研究物质新规律，可以更好开展高温超导、量子计算等前沿研究。 随着可控核聚变技术和商业化的不断推进，产业资本不断涌入。可控核聚变美国聚变工业协会发布的《2024年聚变能产业报告》显示，核聚变产业在世界范围内已吸引超过71亿美元的投资，全球核聚变企业总数达45家，其中包括中国的新奥能源、能量奇点等。 1.2我国磁约束聚变研究整体规划 目前实现可控核聚变的主要方案之一是磁约束核聚变，其中最接近成熟的技术是托克马克方案：借助极向磁场和环向磁场双重配合，将一束高温等离子体约束在真空环境中，只要氘-氚等离子体密度和温度达到阈值，就可以实现核聚变。 由于等离子体处于强约束状态下和容器壁几乎不接触，所以即便上亿度高温也不怕。原则上，托克马克的聚变功率正比于体积的一次方和磁场强度的四次方，要实现可控核聚变的或许需要15 T约束磁场、100 kA等离子体电流和10米左右的直径。在有限体积下实现核聚变，要么是尽可能提高磁场强度，要么大幅度提高电流密度，同时还要约束维持等离子体密度，然后维持状态足够长时间，并且让温度足够高，才可实现氘一氚自持核聚变反应，最终达到“点火条件”：聚变堆内阿尔法粒子的自加热功率大于等于韧致辐射功率损失和热传导功率损失之和。 1.我国磁约束聚变整体规划 自20世纪90年代起，我国稳步推进托卡马克研究，先后建成了合肥超环（HT-7）（目前退役）、中国环流器二号（HL-2A）、东方超环（EAST）等装置，相关装置的建设和运行为我国聚变研究提供了重要平台。为了推进聚变能源商业化的目标，我国自主制定了磁约束聚变能源发展路线图，分为3个关键阶段：推动CFETR立项并开始装置建设，形成聚变技术实践的基础条件；计划2035年完成CFETR建设，调试装置运行并进行物理实验，逐步验证聚变能源的可行性与稳定性；在CFETR装置上进行磁约束聚变能源的难点技术探索，计划2050年前后建成商业聚变示范电站，实现磁约束聚变能源的商业化应用。为了确保系统的稳定、安全运行，CFETR项目着力突破：稳态的氘、氚等离子体运行技术，氚的增殖、循环、自持燃烧技术，适应长时间高中子辐照、高热负荷环境的聚变堆壁材料技术。此外，合肥综合性国家科学中心承担的“聚变堆主机关键系统综合研究设施”（CRAFT）项目，重点开展聚变堆主要关键系统的设计与开发。为了获得稳定的聚变能源输出，长脉冲是未来聚变堆的重点参考运行方式，但技术难度较高。氚自持的燃料循环、耐高能中子辐照材料等也是聚变能源商业应用的工程技术难题。 近年来，我国磁约束聚变能源技术进步明显，如EAST装置创造了多项世界纪录（以实现超导托卡马克准稳态双输运垒为代表），2025年1月首次完成了1亿摄氏度1066秒“高质量燃烧”。中国环流器三号（HL-3）于2020年建成，实现等离子体电流>1 MA。相关成果标志着聚变物理实验方面取得显著进展、超导磁体等工程技术达到世界先进水平。中国核电工程有限公司继2020年承担ITER主机安装一号合同后，又于2024年中标ITER真空室模块组装合同，表明我国聚变工程建设能力得到国际认可。 2.积极推进CFETR研究 鉴于ITER计划目标与未来聚变原型电站之间存在一定的差距，我国在2011年提出了CFETR计划，分步开展CFETR物理与工程设计：第一阶段，计划实现聚变功率为50~200 MW、聚变增益为1~5、氚增殖比>1；第二阶段，计划实现聚变功率>1 GW、聚变增益>10。为了适应两个阶段的目标需求，CFETR的大半径、小半径分别设为7.2 m、2.2 m；在第二阶段，着重验证DEMO，探索聚变能源商业化的可行性。“CFETR集成工程设计研究”项目（2017—2020年）顺利结题，全面完成工程设计。 2019年，CRAFT项目正式立项，主体工程涉及极端工况条件下偏滤器系统、大型复杂超导磁体系统等挑战性任务。偏滤器系统包括多个重要组成部分，如偏滤器原型部件、用于工程测试的偏滤器部件工程测试平台、与真空室相关的1/8真空室及总体安装系统、偏滤器原型部件、总控系统、用于远程操作的遥操作系统、辅助加热及电流驱动系统等。超导磁体系统主要涉及磁体性能测试平台、保障磁体稳定性的低温系统、磁体材料综合性能研究平台、中心螺管模型线圈磁体、高温超导磁体、环向场磁体、导体性能研究平台、电源系统等。目前，CRAFT项目全面进入关键部件研制阶段。 3.紧密跟踪其他聚变技术路线 关注聚变能源国际研究前沿，更加全面地掌握聚变能源技术的新进展，吸收相关研究成果并融入自有聚变能源实践，将增强我国在此领域的竞争力和影响力。 近年来，国际上出现了新的聚变堆技术路线。利用高温超导磁体技术开发的紧凑型聚变堆，理论上具有显著的经济优势，也可以加快研发进程，代表性的有美国麻省理工学院的SPARC托卡马克装置、英国卡拉姆聚变能源中心的STEP装置。 2023年，德国的仿星器W7-X经过升级，实现等离子体放电时间为8 min，约束性能达到同等规模托卡马克装置的水平。此外，悬浮偶极场等磁约束装置也具有一定的发展潜力。我国正在酝酿紧凑型聚变装置研发，也鼓励高校和科研院所开展其他聚变技术路线探索。我国多家民营企业也在积极参与聚变能源研究，包括新奥集团股份有限公司、陕西星环聚能科技有限公司、能量奇点能源科技（上海）有限公司等，有助于加快聚变能源商业化进程。 1.3可控核聚变当下待解决核心问题 能量平衡、氚自持、可利用率、耐辐照能力4个指标最为关键，可用于各种聚变堆的技术性能差异比较。聚变能源发展需要跨越4个里程碑节点：节点1为当前的领域最优水平；节点2为ITER水平；节点3为聚变商业示范堆（DEMO）水平；节点4为第一代商业堆水平。近年来，各种聚变技术路线均取得显著进步，但面向能源应用的聚变技术路径尚未获得闭环验证，相应开发工作面临着多重挑战。跨越这4个节点后，聚变