2025年中国可控核聚变行业研究报告 从装置稳态运行到产业链雏形构建

资料来源：行行查研究中心资料来源：行行查研究中心资料来源：IAEA，公开资料整理，行行查研究中心可控核聚变行业市场概述：核聚变和核裂变可释放巨大能量氦需超高温（上亿℃)和高压资料来源：中国科学院等离子提物理研究所，华东理工大学核科学与工程学院，科普中国，《理化检验》，行行查研究中心可控可控核聚变的优点需要外界物质/能量冲击激发，但是激发条件低（一个中子冲击即可储备安全可储备安全可控可控核聚变行业市场概述：可控核聚变被视作理想的终极能源低中低低氚（锂增殖）近乎石油（化石燃料，水流势能（依赖河流流量与太阳能（可再生，但依赖日照强度风能（可再生，依赖风力稳定性）无温室气体排放，但有可能无温室气体排放，但有土地占用和无温室气体排放，但有噪音和生态高高低，受日照时间低，受风速和季高高高高高资料来源：国际能源网，福建省电机工程学会微信公众号，能源数库微信公众号，行行查研究中心资料来源：国际能源网，公开资料整理，行行查研究中心能源安全：破解资源依赖与地缘风险的终极方案可控核聚变以氘、氚为燃料，其中氘可从海水中提取（每升海水含30毫克氘，聚变能量相当于300升汽油而氚可通过中子轰击锂资源生成。例如，中国环流三号实现150万安培等离子体电流高约束模运行，标志着我国在堆芯级参数上接近国际领先水平，为未来自主建造聚变堆奠定基础。碳中和：重构全球能源体系的绿色引擎核聚变反应无二氧化碳、二氧化硫等温室气体排放，亦不产生长寿命放射性核废料，其全生命周期碳排放仅为太阳能的1/10。我国提出2060年前实现碳中和，核聚变作为基荷电源，可弥补风电、光伏的间歇性缺陷，与可再生能源形成互补。例如，在风光资源匮乏的城市高耗能区域，聚变能可提供稳定电力，推动能源结构向低碳转型。科技自主：突破“卡脖子”技术的战略制高点我国通过参与国际热核聚变实验堆（ITER）计划，已掌握超导磁体、偏滤器、第一壁等核心部件制造技术，并主导制定全球首项核聚变国际标准《核聚变堆高温承压部件的热氦检漏方法》。例如，中核集团在ITER项目中承担的包层屏蔽模块研发，突破了三维大长径比空间角度交叉孔系加工等关键技术，为自主设计聚变堆积累了经验。经济升级：培育万亿级产业的新动能据MMR预计，2030年全球核聚变市场规模将达5,000亿美元，我国若能抢占先机，可形成万亿级产业集群。例如，联创光电中标中核集团“星火一号”项目，标志着高温超导磁体技术进入产业化阶段；东方电气集团研发的包层屏蔽模块，带动了精密制造、特种焊接等产业链发展。此外，核聚变研发还催生了人工智能在等离子体控制中的应用，如强化学习算法等。国际话语权：引领全球能源治理的新范式在ITER计划中，中国承担18个关键部件研制任务，成为仅次于欧盟的第二大参与方。同时，我国主导的中国聚变工程试验堆（CFETR）计划于2030年建成，将成为全球首个聚变示范电站。国际核能格局正在发生着深刻变化。资料来源：国际能源网，行行查研究中心资料来源：可控核聚变公众号，合肥等离子体物理研究所官网，核工业西南物理研究院，行行查研究中心可控核聚变行业市场概述：“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略及中国科学院物理研究所等科研单位陆续开展磁约束可控政策论证会”，提出我国核能“热堆-快堆-聚变堆三步走” 资料来源：《超导磁体技术与磁约束核聚变》，公开资料整理，行行查研究中心E聚变三重积（nTτE，即等离子体密度、温度与约束时间的乘积）条件主要内容关键阈值关键阈值），基础定义装置/技术路径资料来源：国际原子能机构，行行查研究中心可控核聚变行业市场概述：实现可控核聚变的三种途径可控核聚变技术路线引力约束磁约束惯性约束恒星托卡马克仿星器激光惯性约束可控核聚变技术路线引力约束磁约束惯性约束恒星托卡马克仿星器激光惯性约束环形托卡马克体积最大，ITER高29米，直径28米，重2300吨；仿星器和球马占地面积是激光光路，聚变 —依赖燃料靶丸的连续投放，—激光点火速度较快，但点火耗能高；若能解决点火能量和靶丸投放问题灵活性可能———可控核聚变行业市场概述：磁约束核聚变的原理中央是一个环形真空室,里面注满气体,外面缠绕中央是一个环形真空室,里面注满气体,外面缠绕着线圈。线圈通电后,会在托卡马克内部产生巨大的螺旋型磁场,里面的气体将被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。中心螺线管极向磁场外极向场线圈合成的螺旋磁场环形等离子体电流环向磁场线圈环向磁场高温约束条件约束条件资料来源：ITER官网，中国科学院，公开资料整理，行行查研究中心可控核聚变行业市场概述：托卡马克装置真空杜瓦真空杜瓦磁体磁体真空室真空室 包层模块 包层模块 再次充入聚变气体，提高真空室内反应物密度及压强，同时通过射频波和中性束注入等辅助加热手段进一步提高等离子体温度。资料来源：ITERCHINA，中国科普博览官网，劳伦斯利弗莫尔国家实验室，中国物理学会期刊网，行行查研究中心可控核聚变行业市场概述：惯性约束核聚变聚变“点火”内心聚爆使氘氚核燃料实现中心“点火”热核燃烧在被压缩燃料内部蔓延，产生数倍甚多达192束激光射线射球料球料空器开始释放x外层消融的同时，因牛顿定律的反射资料来源：ITER官网，NISA，行行查研究中心可控核聚变行业市场概述：引力约束核聚变是太阳能量的来源密度固体密度的104倍固体密度的10-8固体密度的103倍温度约束时间秒质量与引力的不可复制性引力约束依赖天体超大质量（如太阳质量为1.989×10³⁰kg而人工无法在地面效的引力场。例如，太阳的引力加速度在核心区域约为270m/s²，远超人类技术可模拟三重积条件的限制5×10²¹m-³·keV·s）。虽然恒星自然满足此条件（约束时间达数万年但地球上的引资料来源：PhilipBall《Thechaseforfusionenergy》，可控核聚变微信公众号，行行查研究中心通过外部线圈产生螺旋形磁场，依赖等离子体电流与外部磁场共同作用形成螺旋磁场，从而稳定约束通过外部绕线系统产生的三维扭曲磁场，约束高温等离子体以实现可控核一种直线型磁约束核聚高磁场端部反射而被约束通过高能激光脉冲压缩和加热氘氚燃料靶丸，利用物质惯性短暂约束高温高密度等离子体以通过对聚变靶材施加磁场来增加等离子体的热效率，并使用激光或其他手段快速压缩聚变料，技术成熟度高、等离子体天然稳态运行、高高的等离子体压力与磁对加工精度的要求能量增益低、靶丸制造资料来源：行行查研究中心 核心设备 控制设备 核心设备 控制设备 配套设备第壁材料 燃料超导带材超导带材资料来源：《国际热核试验堆第一壁材料的研究进展》，公开资料整理，行行查研究中心铍铍卡马克装置中异常事件（包括等离子体破裂、边缘区域模）具有高承受能力，因此在与等离子体直接接触的区域（如偏滤器垂直靶和收集板）会倾向于使用碳散强化、复合材料等方式都可以改善钨的韧性，塑性变形后的弥散颗粒增韧钨可以铍钨664熔点(°C）——-28.0使用温度(°C）资料来源：上海超导官网，科学大院公众号，可控核聚变微信公众号，西部超导招股说明书，行行查研究中心可控核聚变行业上游：高温超导带材是核聚变装置的重要材料），银银），资料来源：科学网，中国科学院等离子体物理研究所，核聚变与等离子体物理微信公众号，行行查研究中心可控核聚变行业上游：氘-氚反应成为聚变燃料最普遍的选择氚氚氦硼-11储量丰富同位素分类同位素分类系统I统ISS钯/钒/钴废物排放废物排放资料来源：ITER官网，公开资料整理，行行查研究中心可控核聚变行业中游：第一壁可有效控制杂质、传递辐射热量0101面向等离子体层最内层直接接触等离子体，常用材料为铍（Be）或钨（W）。铍因低原子体能量损失，但其与铜的扩散会形成脆性化合物（如CuBe影响03支撑背板03支撑背板02热沉层 01 01等离子体保护 02热量传递 与氚增殖 04故障防护资料来源：ITER官网，《核聚变装置偏滤器靶板材料选择与研究进展》，《核聚变堆偏滤器热沉材料研究现状及展望》，《EAST偏滤器关键复合材料冲击焊接制备及数值模拟可控核聚变行业中游：偏滤器可减少壁面的热负荷和粒子轰击偏滤器主动控制线圈顶部被动板环形限制器01排出来自聚变等离子体的能流和粒子流偏滤器主动控制线圈顶部被动板环形限制器01排出来自聚变等离子体的能流和粒子流02有效地屏蔽来自器壁的杂质，减少对芯部等离子体的污染03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底部被动板外靶板资料来源：《磁约束可控核聚变装置的磁体系统综述》，ITER官网，行行查研究中心可控核聚变行业中游：高温超导磁体大幅提升装置内磁场强度TF线圈PF线圈PFPF线圈（极向场线圈）用于产生极向磁场，置、形状和电流分布，在等离子体的产生、上升、成形和平顶各个阶段提供欧姆加热和控制TFTF线圈（环向场线圈）用于产生环向磁场，约束等离子体的径向与真空室壁接触，是核心部件之一，对于实现等离子体的稳定（中心螺线管）（中心螺线管）用于产生垂直磁场，激发并加热等离子体，同时在等离子体电流的建立和维持过程中发挥关键（校正场线圈）用来补偿环向场和极向场系统由于制造与安装过程带来的不可消除的磁场资料来源：iVacuum真空聚焦，行行查研究中心顶盖上环体下环体基座裙式支撑真空隔离通过多层真空结构隔绝外界热量和气体分子，防止热传导和对流导致的温升。真空隔离超导环境维持为环向场线圈（TF）和极向场线圈（PF）等超导磁体提供液氦冷却环境，确保超导特性稳定。超导环境维持辐射防护屏蔽中子辐射和电磁干扰，保护外部设备及操作人员安全。辐射防护系统安全保障在氦气泄漏、等离子体破裂等极端情况下，通过结构完整性防止系统失效。系统安全保障资料来源：公开资料整理，行行查研究中心可控核聚变行业下游：应用潜力巨大，商业化进程正在加速金属冶炼与化工：核聚变产生的高温炼稀有金属或合成高纯度材料，例如材料性能测试：极端环境模拟可加速耐高温材料研发，如钨基合金（用于第一壁）、钼合金（抗辐射部件）和阻氚涂层：石墨烯/陶瓷复合涂层可减超导材料：高温超导磁体（如REBCO带材）降低磁约束成本，推动紧凑型推进器可使火星任务时间从7个月缩短至3个月，土星探测任务从10年减至2年。其原理是利用氘氚反长期能源供应：小型化聚变堆可为深空探测器（如木卫二探测）提供数十年持续能源，无需依赖太阳能。核聚变能源支持月球或火星基地建癌症治疗：聚变中子束可精准杀灭癌医学影像：PET扫描所需的短寿命同位素（如¹⁴C、³²P）可通过聚变反应过锎—252发出的中子射线对病灶进核聚变电站的高温蒸汽可用于驱动碳捕集系统的能耗需求，降低高温等离子体可分解有毒废物（如塑料、化工残渣实现无害化处理。对于焦化废水污泥等冶金危险废物，利用热等离子体技术可以实现无害化处理。含油污泥中各类污染有机物和烃类有机物比较多，可利用的热值也比较大。通过应用热等离子体技术，可以将含油污泥分解为可燃的小太阳就是通过核聚变反应持续发光控核聚变装置能够模拟恒星内部的变燃料加热到极高温度，约束住高温等离子体，从而为研究核合成过聚变堆的高能中子源可用于粒子加速器实验，探索暗物质等未解之谜。资料来源：频谱科学，国家原子能机构，行行查研究中心可控核聚变行业下游：可控核聚变电站成为未来能源重要基建核聚变反应堆核岛开关站常规岛超导磁体第一壁第一壁偏滤器核能→把水加热→变为蒸汽→推动汽轮机发电→电能偏滤器核岛核岛常规岛常规岛 资料来源：中国科学院，DeepMind，可控核聚变微信公众号，行行查研究中心可控核聚变行业下游：AI赋能精确控制，加快聚变实验进程控制稳定性验证2030年2025-2026年连续放电1000秒以上2035年2028年左右商用能量输出系统建成2045年有望2035年前成本接近风电平价原2048年加速至2040年前后··模拟和预测,Al可以用于模拟和预测核聚变反应的行为。通过对已知反应的数据进行训练,可以开发出能够预测和优化核聚变反应的Al模型。.实时监测和控制,通过使用机器学习算法,可以从传感器数据中提取有用的信息,例如温度、压力和辐射水平,并用这些信息来控制反应堆的运行参数。·数据分析和处理,通过使用机器学习算法,可以从数据中发现聚变反应隐藏的模式和趋势。·聚变反应堆设计,通过使用机器学习算法,可以优化反应堆的几何形状和运行参数,以提高聚变反应的效率和稳定性。资料来源：ITER官网，《可控核聚变技术的发展及应用前景》，中科院物理所，行行查研究中心100%校正场线圈（CC）100%磁体馈线（Feeder）辉光清洗及充气系统55%变流器1.6%诊断100%CC及Feeder导体7.5%TF导体100%脉冲高压变电站50%屏蔽包层高度24m宽度重量23,000t聚变功率等离子体大半径6.2m等离子体小半径2.0m等离子体体积840m3等离子体中心磁场强度5.3T1985年目标是建造可自持燃烧的核聚变实验堆，验证聚变反应堆的工程可行性，俄、日、美、欧四方承建2003年2月中国作为全权独立成员加入该计划谈判，表示中国承诺承担ITER工程总造价1002006年5月中国、欧盟、美国、韩国、日本、俄罗斯、印度七方代表在布鲁塞尔草签成立协定，标志我国实质上参加该计划亿欧元的10%，并享受全部知识产权2005年6月2006年11月七方代表在法国总统府正式签署联合实验协定及相关文件，全面启动ITER2006年11月七方代表在法国总统府正式签署联合实验协定及相关文件，全面启动ITER计划资料来源：合肥等离子体物理研究院官网，行行查研究中心始立项建设•始立项建设•到2050年，聚变工程实验堆实验成功，建设聚变商业示范堆，完成人类终极能源 ••到2035年，计划建成聚变工程实验堆，开始大规模科学实验•建设进展：1.工程设计：2017年启动工程设计；2.建设阶段：计划分两个阶段建设，第一阶段实现聚资料来源：中科院等离子所，《磁约束聚变能源的发展机遇与挑战》，行行查研究中心2006年EAST成功获得等离子体，首次放电成功2010年运行1MA等离子体电流2012年成功获得超过400秒的两千万度高参数偏滤器等离子体；获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电2016年成功实现了电子温度超过5千万度，持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电2018年获得1亿℃高温等离子体2021年EAST实现长脉冲高参数等离子体运行1056秒2023年实现了高功率温度下稳态长脉冲高约束模式等离子体运行403秒，创造了托卡马克装置稳态高约束模运行新的世界纪录资料来源：合肥发布微信公众号，公开资料整理，行行查研究中心2024年,2024年,实现了403秒的高约束模式等离子体运行2025年2月,2025年2月,项目正在加紧施工2025年3月5日，首块顶板顺利浇筑，标志2025年3月5日，首块顶板顺利浇筑，标志着项目进入分区交付阶段，施工全面加速基于托卡马克技术的升级为核心，通过紧凑型设计优化装置体积和成本，提升核聚变反应的经济性和可行性。秒级高约束模等离子体运行，发电演示，并探索长期稳定建设挑战与工程突破•施工难度：被概括为“五超•混凝土工艺：研发低温升、材料创新由河钢集团张宣科技研发，解决了极低温环境下材料强度与韧性难以兼顾的世界性•高端特种钢板：河钢舞钢公司独家供应关键部位钢板，通过工艺优化和质量管控实资料来源：《世界能源统计年鉴2024》，IEA，中国核能行业协会，行行查研究中心00000资料来源：云岫资本，HelionEnergy，行行查研究中心美国2028年实现为微软线型：脉冲场反位形美国2030s发电高温超导紧凑托卡马克美国2035年并网发电线型：场反位形+磁镜加拿大>3亿美元2050年前发电紧凑型，压缩点火2.5亿美元2030年并网发电托卡马克类··HelionEnergy于2013年成立,采用了磁约束聚变和惯性约束聚变相结合的技术方案。净发电量(即输出能量大于输入能量)的核聚变装置。·采用磁惯性聚变(MIF)技术,结合磁约束与惯性约束的优势。其装置为直线型场反位形设计,通过高功率电磁脉冲压缩等离子体,利用磁场变化直接诱导电流发电,省去了传统蒸汽涡轮环节,能量转化效率高达95%。资料来源：核工业西南物理研究院，中科院等离子所，中核集团，中国科学院，行行查研究中心可控核聚变行业竞争格局：“国家队+民企成立于1978年9月，其前身为“合肥受控热核反应研究实验站”--资料来源：政府公开资料整理，行行查研究中心