【行业前瞻】美国可控核聚变技术获重大突破 终极能源产业链蓄势待发

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据金融时报8月7日消息，位于加利福尼亚州的联邦劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的研究人员去年首次实现了核聚变点火，他们在7月30日的实验中再次实现了这一突破，产生了去年比12月更高的能量输出。该实验室证实，其激光设施再次实现了能量增益，并补充说，正在对结果进行分析。

(资料图)

近期，聚变行业协会（FIA）发布的第三份年度报告《全球核聚变行业报告》称，全球核聚变行业投资从2022年的48亿美元增至亿美元，有13家新公司加入核聚变的开发，23家企业预计首座聚变反应堆将在2035年前并网发电。不久前，中国核建旗下中核五公司宣布承建全球首个全高温超导核聚变实验装置。

一、核聚变投资动态

技术进步的背后需要巨大的资本支持。作为掌控未来的核心技术，核聚变正吸引越来越多的顶级大佬入局。

OpenAI首席执行官Sam Altman向一家名为Helion Energy的核聚变初创公司投入了亿美元，硅谷“创投教父”Peter Thiel也投资了这家公司；亚马逊创始人杰夫·贝索斯则投资了加拿大核聚变公司General Fusion；微软公司已与核聚变初创公司Helion Energy 签署购电协议，将于2028年从其购买电力。比尔盖茨旗下的基金Breakthrough Energy Ventures则是领投了家核聚变能源公司——Type One Energy。

华尔街见闻，2023年5月据日经新闻报道，由三菱商事、关西电力、日本政府旗下基金等16家企业和政府组建的联盟，正准备向一家致力于核聚变发电商业化的初创公司Kyoto Fusioneering投资100亿日元（7360万美元）。Kyoto Fusioneering在被称为“回旋振荡管(gyrotron)”的等离子加热装置领域具有较高技术能力，这是促进核聚变反应的核心装置。

二、核聚变概念

传统核能是基于核裂变。核裂变类似二细胞分裂，在核裂变中，一个原子会分裂成更小的粒子，幵放 出原子核的结合能。返种能量将会以热能和辐射的形式释放，其中热能被用来将 水加热成蒸汽，迕而使涡轮机转劢幵驱劢发电机发电。

核聚变则是通过两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，并释放巨大能量的过程。核聚变反应堆通常使用一种可从海水中提取的氢同位素，称为氘（氢-2）。当受到高热和高压时，电子被迫离开氘原子，产生等离子体。 这种等离子体是一种过热的电离气体，需要用强磁场来控制，因为它的温度可以达到1亿摄氏度以上，是太阳核心温度的十倍。 辅助加热系统将温度提高到核聚变所需的水平（ 亿摄氏度），通电的等离子体粒子发生碰撞并加热。这些条件允许高能粒子在碰撞时克服其自然电磁排斥力，将它们融合在一起幵释放出巨大的能量。

核聚变反应释放的能量比核裂变更多，而且不会像核裂变那样产生有害的长期放射性废物。用于核聚变的燃料可以从海水中提取，几乎是“取之不尽用之不竭”。这意味着，谁能够掌握核聚变技术，谁就将成为未来全球能源乃至政经主导者。

三、可控核聚变技术路线

人类想要能够利用核聚变，就得能够控制核聚变的速度和规模，以实现安全、持续、 平稳能量输出的核聚变反应，也就是可控核聚变。目前主流有两种技术路线：激先约束核聚变（也称为惯性约束）、磁约束核聚变。

1.激先约束核聚变

激光约束核聚变（ICF）的基本思想是: 利用激光或离子束作驱动源，脉冲式地提供高强度能量，均匀地作用于装填氘氚（DT）燃料的微型球状靶丸外壳表面, 形成高温高压等离子体，利用反冲压力, 使靶外壳极快地向心运动，压缩氘氚主燃料层到极高密度，并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑, 达到点火条件，在高温高密度热核燃料来不及飞散前，进行充分热核燃烧, 放出大量聚变能。

激先产生驱动可采用两种途径：在直接驱劢中，多束激先束直接均匀辐照含有热核燃料的聚变靶丸；在间接驱劢中, 激先能量被围绕靶丸的黑腔壁高 Z 物质吸收并部分转换成 X 光能量, 驱劢内爆。

美国的 NIF（国家点火装置）采用“惯性约束路线”制造，主要由两部分构成：一部分是高能量紫外激光器系统，一部分是靶室。激光系统主要由光脉冲发生器、放大器、驱动放大器的脉冲驱动系统、光学开关、光学聚能器以及激光束控制系统。通过高能量紫外激光器系统将主振荡器产生的低功率激光脉冲修正、充分放大后，准确地聚焦在微型氘氚靶丸上。

2.磁约束核聚变

核聚变的另一个技术路线是磁约束聚变，也称为“托卡马克核聚变”，就是用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。

该路线的主攻方向之一是采用是托卡马克(Tokamak)装置。返是一种环形容器，用磁场形成一个“磁笼”将等离子体束缚住，创造氘、氚实现聚变的环境。返种装置又称环磁机，名字来源二其的关键词——环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。

全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆 (ITER)，即采用了托卡马克装置。ITER 是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，同时是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目。2006年， 中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共同签署了国际热核聚变实验堆 (ITER)项目启劢协定。2008 年，中国全面开展 ITER 计划工作，承担了其中约 10% 的研发制造任务。

对比两种技术路线，磁约束技术路线被认为是最有可能率先成功的可控核聚变方式。法国、澳大利亚、 日本等国都在“惯性约束聚变”技术方面进行一些尝试，不过只有美国的NIF实现显著的成果。而“磁约束聚变”技术，除了多国独自运行的反应堆实验装置，还有35国共同参不的“国际热核聚变实验反应堆”（ITER）。根据 tokamak info 此前统计，目前全球范围内普通托卡马光装置共 185 个，球形 36 个。

四、我国可控核聚变进展

我国在核聚变领域的技术有一定优势。中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所所长钟武律此前表示，我国有望在10-20年的尺度内获得可控核聚变的能量。

日本调查公司Astamuse统计了在中日美欧等30个国家和地区申请的核聚变相关专利。针对2011年至2022年9月公开的1133项专利，将可行性和权利剩余保护期等专利的竞争力转化为得分，排出了名次。按专利申请的企业和研究机构的国籍来看，中国排在首位（申请件数也排在首位）。2015年以后中国申请的重要专利大幅增多，超过了美国。在企业和研究机构等排名前20位组织的专利之中，中国科学院拥有的用于核聚变炉内壁的特殊陶瓷复合材料技术获得的评价最高。

在科研层面，国内主要有全超导托卡马克核聚变实验装置EAST和侧重激光约束的“神光”装置。

西南物理研究院（成都）早期装置 HL-1M 一代先进装置 HL-2A，前身是德国的装置 ASDEX，2002年投入使用，二代先进装置 HL-2M。等离子体所（合肥）一代先进装置 HT-7，前身是苏联在七十年代投入使用的超导托卡马克 T-7，在升级改造数年后于1995 年投入使用。二代先进装置是全超导托卡马克核聚变实验装置EAST，在 HT-7 的基础上讴计建造而成。2023年4月12日，EAST成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，再次打破世界纪录，标志着我国在这一领域领跑全球。

我国的激光约束核聚变研究基本上与美国同步，从上世纪70年代就开始了大功率钕玻璃激光系统的研制，先后发展了单路激光和六路激光。进入80年代，我国的激光聚变驱动器被命名为“神光”装置。1986年上海建成神光Ⅰ，主要开展直接驱动与等离子物理实验。2003年神光Ⅱ建成，状态方程实验中获得了一百万大气压的压强。2006年，神光Ⅱ第九路激光建成。2015年，在第九路上又实现了KJ、PW短脉冲输出，并开展了快点火的演示实验。2023年1月，上海光机所宣布科研人员首次在实验室条件下实现激光驱动等离子体湍流磁重联过程。

中国聚变工程实验堆（CFETR），是中国自主设计和研制并联合国际合作的重大科学工程。CFETR项目于2017年12月5日在合肥正式启动工程设计，中国核聚变研究由此开启新征程。CFETR计划分三步走，完成“中国聚变梦”。第一阶段到2021年，CFETR开始立项建设；第二阶段到2035年，计划建成聚变工程实验堆，开始大规模科学实验；第三阶段到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。

五、机会与方向

中信证券7月12日研报表示，可控核聚变或是人类解决能源问题的终极方案，双碳及能源安全背景下势在必行。2022年12月13日，美国能源部宣布其NIF装置实现了核聚变“净能量增益”，理论上验证了核聚变商业化的可能性。而ChatGpt在今年的横空出世，或也将显著缩短其商业化开发周期。随相关技术突破及资本涌入，可控核聚变商业化已按下加速键。

国内可控核聚变商业化进程也已经初见端倪。海外资本大佬争抢核聚变项目的同时，国内也有商业企业涌现。成立于2021年的星环聚能、能量奇点，在近两年来均已获得两轮融资，且融资金额颇高。日前，中核五公司与中国第一家聚焦聚变能开发的商业公司正式签订了全高温超导核聚变装置总装合同，承建全球首个全高温超导核聚变实验装置。

未来，随着技术继续进步，核聚变商业转化进程加快，整个产业链有可能全面颠覆现有能源产业结构。项目建设、结构、激光器、材料等多个领域都值得关注。

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