聚变、混合堆、高温超导及星火

聚变、混合堆、高温超导及星火目录CONTENTS可控核聚变概述可控核聚变原理、进展情况、面临问题01聚变-裂变混合堆概述混合堆的装置结构、原理、优势高温超导磁体概述高温超导磁体的必要性、技术壁垒、竞争格局星火一号进展情况项目总体方案、参与各方020304可控核聚变概述可控核聚变原理、进展情况、面临问题Part01第壹部分核聚变轻的原子核的聚合反应核反应过程虽然总核子数不变，但是原子核总质量减小（质量亏损），释放出巨大能量！核能的来源核裂变重原子核的分裂反应爱因斯坦质能方程E=mc2核聚变是宇宙中最为常见的反应也是绝大部分恒星能量的来源10,000,000:200:1核聚变能资源丰富、固有安全、环境友好是人类理想的清洁能源，是解决人类社会能源问题和环境问题的根本途径之一。聚变能源重构未来能源格局煤｜150万吨铀｜30吨重水｜150公斤实现可控核聚变的方式核聚变必须克服原子核间强大的库伦斥力。需要将原子核加热到具备很高的动能（上亿度）。激光约束粒子束约束Z箍缩弹丸弹射磁约束温度：~1-2亿度密度：~1x10-6g/cm3约束时间：~数秒惯性约束温度：~1-2亿度密度：~1000g/cm3约束时间：~1纳秒仿星器球马克磁镜恒星：重力约束温度：~1500万度密度：~150g/cm3约束时间：~10亿年太阳（恒星）托卡马克离子温度×密度×能量约束时间，即聚变“三乘积”需要足够高！理论和实验研究均表明：氘氚聚变是最容易实现的聚变。库伦势垒电磁力速度（加热）密度（加压）托卡马克磁约束聚变装置原理聚变点火条件n×Ti×τE>5×1021m-3·keV·s提升托卡马克装置能力获得聚变点火的措施提高等离子体电流（Pfus∝I²）提升装置规模（‘E∝I×R²）提高磁场强度（Pfus∝B⁴）提高加热能力高约束运行模式7磁约束聚变“点火”的定义:氘氚聚变反应产生的阿尔法粒子，其加热功率高到能取代外部加热时，可实现自持加热，维持聚变反应。1954年由前苏联库尔恰托夫原子能研究所发明的托卡马克装置示意磁约束聚变堆发电原理1GW聚变功率~6.4g氚/小时堆芯燃烧一回路等离子体加热产氚包层氚分离、氚储存在托卡马克堆芯中，维持反应条件，持续发生氘氚聚变反应加入堆芯未反应的氚，需要回收、分离后再利用，聚变堆需要公斤级的氚循环系统聚变中子在包层中与锂反应生产氚，在线提取后补充堆芯消耗，实现氚自持聚变能量大部分沉积在包层中，通过一回路带出发电氘氚聚变反应等离子体中产氚反应包层中二回路与发电系统国际磁约束核聚变研究进展1991年—JET装置上进行了氘-氚放电实验，聚变功率达到1.7MW1992年—美国的TFTR装置的氘氚放电也获得成功,其输出的功率达到了10.7MW1997年—JET装置创下了输出聚变功率16.1MW的世界纪录1998年—在日本JT-60U托卡马克装置上，聚变反应的能量增益因子Qeq已达到1.252021年—JET装置10MW，持续了5秒，共计释放59MJ聚变能2025年—中国环流器三号突破“双亿度”：实现原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度历经50余年聚变研发，托卡马克性能得到极大提升，技术最为成熟。50多年的可控聚变研究，托卡马克成为主流概念，但氘氚燃烧等离子体实验仅在2个装置上开展过上世纪90年代，欧洲JET、美国TFTR和日本JT-60U三大托卡马克装置证明了磁约束聚变的科学可行性，并初步验证了氘氚聚变理论模型的准确性欧洲JET装置（已退役）美国TFTR装置（已关闭）中心离子温度中国美国欧洲2021年10月，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》2023年11月，中核集团与江西省政府签署《全面战略合作框架协议》2023年12月，国资委明确可控核聚变领域为未来能源的唯一方向2024年3月，国家发改委发布《2024年国民经济和社会发展计划的主要任务》2022年，美国白宫科学技术政策办公室和能源部共同主办了首次白宫核聚变峰会2024年，美国能源部（DOE）发布《FusionEnergyStrategy2024》国际科技大咖联合投资聚变企业HelionEnergy、CFS，甲骨文创始人表示甲骨文正在建造聚变堆为GPU集群提供动力2021年10月，英国发布聚变能国家战略报告2023年10月，英国再次发布聚变能国家战略升版报告2024年3月，德国发布《核聚变资助计划2040》2024年7月，法国ITER宣布新项目计划，ITER将于2034年首次运行大国间正展开新的装备竞赛商业化项目在全球范围内涌现53111312513211日本中国以色列意大利法国英国瑞典德国瑞士美国加拿大澳大利亚新西兰资料来源：《2024年全球聚变行业报告》、中信证券截至2024年7月，全球聚变公司累计融资超71亿美元聚变行业资金投入截至2024年7月，累计公共资金投入4.26亿美元公共资金投入聚变商业公司数量全球聚变产业公司已达47家，分布于12个国家我国可控核聚变研究进展我国聚变研究始于50年代，开始是原理性、探索性研究1965年核工业西南物理研究院在四川乐山建院，先后建造了角向箍缩、Z箍缩、仿星器、磁镜等20余套不同类型的磁约束装置1984年，我国成功建造聚变领域第一个大科学工程装置—中国环流器一号(HL-1)，荣获国家科学技术进步一等奖2002年，我国成功建造第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置——中国环流器二号A(HL-2A)，标志着我国受控核聚变研究进入大规模物理实验阶段。2006年，中科院等离子体研究所建成全超导托卡马克EAST装置2025年，中国环流器三号突破“双亿度”：实现原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度下一步星火一号装置、BEST装置、Z箍缩装置、环流器三号等装置开始推进聚变研究进展环流三号（2020建成）HL-2A（2002建成）EAST（2006建成）HL-1（1984建成）商业化项目在全球范围内涌现实现聚变能应用，还需要克服多项科学和工程技术挑战：.燃烧等离子体的稳定运行与控制等离子体不稳定性控制、“粒子自持加热、非感应运行，ⅆⅆ.耐高能中子辐照的材料与部件14MeV中子引起材料损伤，能否长时承受复杂负载与严苛工况（高温、强磁场、高热负荷）.氚自持包层氚增殖比有限；加热、诊断系统占用空间；各种氚损失；氚燃烧、氚处理效率原理实验规模实验燃烧实验实验堆示范堆商用堆ITER与示范堆之间，需要怎样的一个设施？来开展规模化、系统性的聚变工程实验验证，解决示范堆面临的工程问题各国均在谋划聚变发展计划，以加速实现聚变商用，抢占聚变能源先机代表装置：JET，JT-60U，TFTR，HL-2M，BEST代表装置：DIII-D,HL-2A，EAST，KSTAR、AUG…代表装置：T-1,T-2,T-3,T5…技术缺口示范堆商用堆ITER商业化项目在全球范围内涌现•技术较成熟•造价相对低•建造周期快•实验更灵活•发电演示功率小•在尺寸小时，加热等系统占空间比例更高，基本难以氚自持•如果不能氚自持，受氚成本限制，无法长时运行，达不到材料和部件考核验证目标•建造技术难度高•造价高、运行成本高•周期长•实现目标技术风险大•包层空间比例高，氚自持具备可行性•更接近示范堆规模能否另辟蹊径大型实验堆小型实验堆聚变-裂变混合堆概述混合堆的装置结构、原理、优势Part02第贰部分磁约束聚变-裂变混合堆原理基本构成聚变堆芯+混合包层+辅助系统聚变堆芯相同磁约束聚变-裂变混合堆的堆芯与纯聚变堆相同，都为托卡马克主机聚变堆芯中产生的14MeV中子与包层中装载的裂变燃料发生裂变、俘获等反应包层不同混合堆包层将纯聚变堆包层中的铍、铅等中子倍增剂，替换为铀-238等裂变材料，以实现：通过裂变反应倍增更多中子，提高产氚率通过裂变反应倍增更多能量，提高热功率与发电功率增殖裂变材料（铀-238钚-239，钍-232铀-233）发电热能氚燃料外循环氘等离子体偏滤器混合包层氚燃料内循环DTHenHeDTDTT14MeV氚裂变增殖反应n238U239Pu

+FPFPnnn氚增殖反应nTHeLi++混合堆是聚变能源利用必由之路聚变-裂变混合堆的优势1.高效核燃料生产目前热堆主要靠U-235反应获得能量，在天然铀中U-235丰度只有0.7%、U-238丰度>99%，铀资源利用率低。混合堆释放出的中子数量大且中子能量高，可将难裂变的U-238、Th-232转换为易裂变材料，极大提高铀钍资源利用率，对解决我国铀资源匮乏问题具有重大意义。U-238增殖反应临界快堆-铀钚循环临界快堆-钍铀循环混合堆-铀钚循环混合堆-钍铀循环1.2~1.41.03~1.152.5~3.02.8~3.5核燃料增殖比对比MOX燃料芯块聚变-裂变混合堆的优势2.基本不产生高放核废物，也可以嬗变裂变堆高放核废物裂变堆乏燃料高放核废物，含有次锕系元素（237镎,241镅,243镅等）和长寿命裂变产物（129碘,99锝,79硒等），其处置与再利用是极大的难题。混合堆可以稳定产生14.1MeV的高能聚变中子，可以高效嬗变长寿命核素。据计算，—座100万千瓦的混合堆每年可处置10—15座压水堆产生的高放核废物。压水堆乏燃料水池聚变-裂变混合堆的优势3.安全性好聚变-裂变混合堆运行在深度次临界，没有裂变堆中的临界安全事故。由于裂变产物产生量低于裂变堆水平，且相对体积大于裂变堆，停堆后余热密度较低，通过设计优化，可以实现衰变余热非能动导出，避免失去电源后熔堆的事故。装置安全功能及冗余设计可以更为简单，大幅降低电站建设和运行的成本。相比裂变堆，选址要求显著降低。~3%<1%纯聚变堆混合堆裂变堆停堆后余热与运行功率比值福岛核事故6-7%聚变-裂变混合堆的优势通过ITERTBM和CFETR包层技术研发，氚增殖剂材料、新型低活化钢结构材料已掌握规模化生产工艺，已掌握包层复杂结构制造技术。中国环流三号大型托卡马克装置，具备堆芯级等离子体运行能力，聚变主机及关键辅助系统设计建造能力已跻身国际第一方阵。4.已有较成熟的技术基础，建造可行性高低活化铁素体结构钢包层验证模块制造氦冷热工测试平台氚增殖剂小球聚变-裂变混合堆的优势5.同等电功率下聚变堆芯功率可以较低，装置规模小在技术难度、建造成本、建造周期方面具有优势部分聚变能量用于加热新的燃料，但是包层产氚过程也有一定热量。包层沉积的能量约等于聚变功率热电转换效率约30~40%聚变功率1000MW热功率~1000MW混合包层能量放大可达10倍热电转换效率约30~40%热功率1000MW纯聚变堆能量转换示意聚变-裂变混合堆能量转换示意电功率300MW电功率300MW聚变功率100MW聚变-裂变混合堆的优势6.极大降低来自聚变的挑战：燃烧等离子体运行、氚自持、高耐辐照材料大幅加快聚变技术的实际应用3.聚变堆芯功率降低后，对于结构材料的高能中子辐照损伤也可以降低。使用现有的低活化材料也可以满足长时运行要求。2.聚变-裂变混合堆通过混合包层裂变反应倍增更多中子，更容易实现氚自持。1.聚变堆芯功率降低后，等离子体运行和控制难度降低。纯聚变堆包层依靠铍或铅倍增中子，倍增能力低氚自持难度高。

聚变-裂变混合堆的优势7.为解决纯聚变堆三大科学工程挑战，提供综合测试平台开展长时燃烧等离子体实验。聚变-裂变混合堆概念，实现更高的氚增殖比，可以验证大规模氚循环与处理技术。高能聚变中子，开展聚变堆真实环境下的材料与部件辐照考验。堆芯内部件考核聚变-裂变混合堆的优势

8.高通量中子应用医用同位素。混合堆可以生产所有常用的医用同位素（Mo99、I125、I131、C14等），以及其它有前景的同位素（Ra223、Re186/188等）。采用裂变材料U238进行中子数量的倍增，其医用同位素的生产效率高；同时，“星火一号”能够迅速启动和停运，方便必要的生产作业，并且采用锂6和贫铀作为燃料，生产成本低，与相比裂变堆相比更适合同位素的生产。中子成像。作为无损检测的重要手段，中子成像与X射线成像互补，它是利用中子射线穿过被检测物时其强度发生衰减变化而获得物体及其缺陷图像的一种成像方式。材料、生物医学、化工、物理等科学研究的强大工具。中子衍射可以用来测定分子、晶体等结构。装置中子特点生产同位素种类可生产同位素产量安全性环境影响裂变堆连续中子束流（~1014n/cm2.s）；裂变中子，能谱窄少（利用热中子生产同位素）3H、14C、32P、60Co、99Mo-99mTc、113Sn-113mIn、125I、131I、89Sr、192Ir、其它裂片元素及超铀元素等高低高聚变-裂变混合堆连续中子束流（~1014n/cm2.s）；14.1MeV高能聚变中子，能谱宽多（利用热中子、高能聚变中子生产同位素）3H、14C、32P、60Co、99Mo-99mTc、113Sn-113mIn、125I、131I、89Sr、192Ir、18F、22Na、109Cd、74As、203Pb、201Tl、其它裂片元素及超铀元素等高高低压水堆快堆混合堆聚变堆燃料资源利用率低主要利用U235利用率较高，可充分利用U238，相比压水堆资源利用率提高60~70倍利用率高，可使用天然铀，充分利用所有铀资源资源丰富，氘、锂等资源裂变燃料增殖效率/燃料倍增时间6~30年，同功率快堆支持1个左右压水堆增殖效率是快堆的几到十几倍/长寿命放射性废物产生量产生大量次锕系元素和裂变产物可使用闭式循环处理次锕系元素和裂变产物，降低产生量使用闭式循环可做到基本不产生长寿命放射性废物无安全性有临界安全问题余热排出要求高有临界安全问题，但固有安全性高于压水堆，可采用非能动余热排出无临界安全问题，固有安全性高，余热水平低，可采用非能动余热排出无临界安全问题，固有安全，余热水平极低我国核能战略为“热堆、快堆、聚变堆”三步走聚变裂变混合堆可以作为第“2.5”步，承上启下聚变-裂变混合堆的优势高温超导磁体概述高温超导磁体的必要性、技术壁垒、竞争格局Part03第叁部分核聚变一直在向高磁场方向推进15T以上磁场以高温超导为主

15T以下，低温超导LTS占据主要市场

15T以上，高温超导HTS为主，而且是未来发展的主要方向实用超导材料临界电流性能对比38高温超导是商业核聚变的必然选择

基于高温超导的强磁场、紧凑型托卡马克路线，加速解决聚变能源应用面临的关键技术问题：

聚变功率：Pfusion~B4

聚变三乘积：~R2B4基于更强的磁场强度，可在更紧凑的装置中实现较大的聚变功率大半径~6.2m磁场~5.3T(11.8T)聚变功率500MW大半径~3m磁场~3T聚变功率~16MW“星火一号”ITERJET40高温超导磁体-CFETR为例ØCFETR的超导磁体系统包括16个TF线圈，6个CS线圈；ØPF线圈根据偏滤器结构，可能为如下数量：ITER型:6个;Super-X型:8个;Ø所有的线圈都是全超导结构：•TF和CS线圈：Nb3Sn•其它线圈:NbTiCS线圈PF线圈TF线圈高温超导磁体-TF线圈高温超导磁体-CS磁体高温超导磁体-PF线圈高温超导磁体的主要环节绝缘导体铠装管超导带材冷却流道成型骨架高温超导磁体10kV/10GJ级电磁能•环向场TF：D型，稳态运行•中心螺线管CS：磁场最高、快速磁通变化•极向场PF：尺寸大、磁场低高温超导CICC导体60kA级@15T/4.2K•钢管内部低温流体迫流冷却•矩形/圆形截面•外部低温绝缘高温超导缆线10kA级@15T/4.2K•堆叠型TSTC•绕包型CORC•铜稳定•100kN/m级电磁力高温超导材料100A级•REBCO带材•矩形截面环向场线圈极向场线圈等离子体电流中心螺线管线圈联创超导负责环节高温超导缆线制备技术对比RACCCCRCCORCTSTCRSCCCT制造复杂非常复杂简单中等中等绞缆退降3%13.3%0%3%1%带材用量209%291%141%103%101%换位完全完全部分部分部分节距远大于ITER小于ITER远小于ITERITER相当ITER相当大电流无法实现更大截面更小截面更大截面更小截面Je(12T⊥)高低高低中等电气稳定性增加铜带增加铜带/骨架增加铜带/骨架增加铜带/骨架具有N值与带材相当/与带材相当8-14/机械性能较差，需固定较差，需固定较好，需高强度骨架中等，需填充间隙/应力与带材相当/极小//冷却较好，沿带材长度方向较好，沿带材长度方向较差较好较好高温超导缆线及导体制备的挑战及要求缆线(1)稳定性：在机械和热循环下的临界电流的稳定性；(2)失超保护：低温稳定性以及可靠的失超检测技术；(3)接头：简单、低电阻、可制造的电连接。HTS缆线的制备需要同时满足高磁场和高电流场景下的应用性，需要面临以下三点主要挑战：导体（1）超导磁体要求高载流、强磁场，将导致电磁力（I×B）较大；（2）聚变装置全生命周期内，要求超导磁体能够承受10~100次级别的热循环，1000~10000次级别的机械循环；（3）百米级的电缆长度范围；（4）磁体达到数十到数百电气接头，接头电阻应该在几nΩ或更小，并且具有更好的冷却。HTS导体必须