中银证券-可控核聚变行业深度报告

可控核聚变行业深度报告：商业化渐行渐近，产业链有望充分受益_

核聚变优势显著，被视为人类理想的终极能源

核聚变是指轻原子核结合成更重的原子核，同时释放出巨大能量的过程。根据国际原子能机构定义， 核聚变是两个或多个较轻的原子核聚合成一个或多个较重的原子核和其它粒子的反应。在核聚变过程中，反应前后的质量会发生微小的亏损，根据爱因斯坦的质能方程，这部分亏损的质量会转化为能量释放出来。以经典的氘-氚聚变为例，一个氘核和一个氚核结合成一个氦核和一个中子，同时释放出 17.6MeV的能量，中子以动能形式携带了约 80%的能量，这些能量可以被捕获并转化为热能用来发电。

此外，Q 值（Q-Value）也是衡量核聚变反应效率以及可行性的重要参数。尽管满足劳逊判据是触发核聚变的基本条件，但要实现商业上的可行性，仅仅达到这个标准还不够，关键在于聚变反应释放的能量必须大于维持聚变所需要的输入能量，核聚变装置输出能量与输入能量之间的比值被称为 Q 值，Q 值越高，表明核聚变反应越有效率。当 Q 值大于1时，说明聚变输出的能量超过了输入能量， 但是如果输出效率低，成本过高，则依然难以商用，一般认为一个商业聚变堆的 Q 值至少需要达到 10。在理想条件下，如果 Q 值可以无限增大，则意味着系统在一次“点火”后释放出的能量足够支持核聚变自持续进行，无需外部能量输入。 

氘-氚反应实现难度相对最低，成为聚变燃料最普遍的选择。除了经典的氘-氚聚变之外，还有氘-氘聚变、氘-氦-3聚变、质子-硼-11聚变等。从物理特性来看，氘-氚聚变的截面较大，即在同等温度和密度环境下，氘核和氚核碰撞并融合的概率更高；从技术实现方面来讲，氘-氚反应的点火温度相对较低，大约在1亿摄氏度左右，相较于其他核聚变反应，这一温度更容易达成。根据 FIA 在《The Global Fusion Industry in 2024》中的调查显示，截至 2024 年中，参与调查的核聚变商业公司中，氘氚聚变反应占比超过68%，是当前最主要的核聚变反应形式。

核聚变具备燃料丰富、能量密度大、清洁、安全性高等突出优点，被视为人类理想的终极能源： 

➢ 燃料资源丰富：核聚变的主要燃料氘可以从海水中提取，地球上海水中的氘储量相当丰富，每升海水中含有约 0.03 克氘，所以地球上仅在海水中就约有 45 万亿吨的氘；氚虽然自然界中不存在，但可以通过中子与锂作用产生，而锂在地壳和海洋中的储量也较为丰富。所以从某种意义上说，聚变原料几乎是无限的，具备成为未来全球能源结构主要组成部分的条件； 

➢ 能量密度大：单位质量核聚变释放的能量远高于其他形式的能源，以 100 万千瓦的电站一年所需燃料为例，传统的燃煤电厂需要大约 200 万吨煤， 燃油电厂需要约 130 万吨燃油，核裂变电厂需要约 30 吨 UO2，而核聚变燃料氘的消耗大概0.6吨； 

➢ 清洁环保：氘氚核聚变反应的产物是惰性气体氦，不产生高放射性、长寿命的核废物，也不会产生有毒有害气体或者温室气体； 

➢ 安全性高：由于可控核聚变所需的上亿度高温和复杂磁场等苛刻条件，一旦反应堆出现问题， 聚变反应会立即停止，不会出现“失控” 链式反应，从而具有固有安全性。

引力约束是恒星内部核聚变反应的主要约束方式，目前在地球上无法实现。恒星自身质量巨大，巨大的质量产生强大的引力，将氢原子核等物质紧紧地束缚在一起，这种强大的引力克服了原子核之间由于带有相同电荷而产生的静电斥力，使得原子核能够靠近到足够近的距离，从而在高温高压的环境下发生核聚变反应。这种约束方式依赖天体的超大质量，是一种天然存在的热核聚变反应堆，然而由于人类无法在满足足够小体积的条件下制造出如此大质量的物体，因此以人类现阶段的技术手段尚无法在地面上制造出可以实现引力约束核聚变的反应装置。 

惯性约束是一种利用粒子的惯性来实现核聚变的方法，需要大量的能量输入和精密的控制技术。惯性约束通常采用高能量的激光或粒子束将燃料加热和压缩为等离子体，在自身惯性作用下，等离子体在极短的时间内来不及向四周飞散，在此过程中被压缩至高温、高密度的物理状态，从而发生核聚变反应。这种约束方式约束的时间尺度较短，形成的等离子体具有较高的温度和密度等特征参数，需要大量的能量输入和精密的控制技术，其中美国的国家点火装置（NIF）和中国的神光系列研究装置都是具有代表性的惯性约束核聚变研究装置。

磁约束聚变能量约束时间长、技术成熟度高、工程可行性较强，是目前实现聚变能开发的最有效途径。由于带电粒子在磁场中趋向于沿着磁力线运动，而横跨磁力线的运动将会受到限制，这时的磁场可以起到约束带电粒子的作用。磁约束核聚变通过加热等外部手段将燃料温度提升，极高的温度使得燃料完全电离形成等离子体，然后采用特殊结构的磁场形式，把燃料离子和大量自由电子组成的、处于热核反应状态的高温等离子体约束在有限的体积内，使之受到控制地发生核聚变反应，并在此过程中释放出能量。增强磁场可以大幅度减小带电粒子横越磁力线的扩散和导热特性，使处于磁场中的高温等离子体与反应容器的壁面隔开，从而保护壁面不受高温侵袭。由于磁约束具有能量约束时间长、技术成熟度高、工程可行性较强等特点，在可控性、经济性和商业化前景上，相比其他约束方式更具有明确优势，因此被认为是目前最有希望实现大规模受控核聚变反应的一种约束方式。根据 IAEA 的统计，截至 2024 年 11 月，全球共有 159 个核聚变项目，其中采用磁约束方式的托卡马克装置和仿星器装置共 102 个，占比超过 60%。

基于磁约束原理的托卡马克装置逐步在核聚变研究领域占据主导地位。基于磁约束的基本原理，发展出了托卡马克、磁镜、仿星器、球形托卡马克、直线箍缩、环箍缩等多种类型的磁约束核聚变装置，其中托卡马克装置因其具有高效的等离子体约束和稳定的平衡能力，并且在工程上设计建造相对简单、运行维护方便，经过多年研究发展技术成熟且有多次成功的实验验证，再加上广泛的国际合作和强大的研究基础，逐步成为目前主流的核聚变装置。托卡马克（Tokamak）由苏联科学家在20世纪50年代提出，其名称由俄语“环形（Toroidal）”“真空室（Kamera）”“磁（Magnit）”“线圈（Kotushka）”几个词组合而成。由于其运行过程中会产生环形等离子体电流，因此也被称为环流器。托卡马克的形状酷似一个“甜甜圈”，拥有一个环形真空室，环形中心是一个铁芯变压器，通过变压器初级线圈电流的变化产生磁场，从而在环形真空室内形成等离子体电流并加热等离子体。真空室外布置有不同方向的线圈，分别产生环向和纵向磁场，而真空室内形成的环形等离子体电流则提供极向磁场，三者共同作用形成环形螺旋状磁场，将等离子体约束在真空室中心。

托卡马克装置已被实验证明具备科学可行性，目前最有可能首先实现商业化。在20世纪90年代，欧盟的JET、美国的TFTR和日本的JT-60这三个大型托卡马克装置在磁约束核聚变研究中取得了许多重要成果：等离子体温度达到4.4×10⁸ K，这一温度大大超过氘氚反应点火的要求；在氘氚粒子密度为1:1的实验中，脉冲聚变输出功率超过16.2 MW；聚变输出功率与外部输入功率之比Q的等效值超过1.25。这些实验的成功，初步证实了基于氘氚的磁约束聚变途径作为核聚变反应堆的科学可行性，同时也表明托卡马克是最有可能首先实现聚变能商业化的路径。