核聚变产业研究：技术升级和产业投资共振，人类终极能源渐行渐近
（报告出品：中邮证券）
核聚变：解决人类能源问题的终极方案
核聚变：人类终极能源，以托卡马克装置最成熟
核聚变，又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。核聚变由质量小的原子（主要是指氘或氚）， 在一定条件下（如超高温和高压）发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦核）， 并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。因此，核聚变被视为几乎无限的能量来源，洁净、安全而 自持，为解决人类未来的能源展示了最好的前景。
核聚变能是人类未来更理想的新能源。核聚变产生的 能量是核裂变的3-4倍，其副产品是惰性、无毒的氦气， 不会影响环境安全。在燃料上，核聚变燃料之一的氘 广泛地分布在海水中，1升海水中含的氘全部聚变反应 所产生的能量与300升汽油完全燃烧所释放的能量相当， 海水中氘的储量可供人类使用几十亿年。此外，核聚 变反应需要在高温等离子体和外部磁场限制的环境下 才可以进行，同时它可以在几秒钟内得到控制或停止， 本质上是安全的。
磁约束核聚变（托卡马克，俄语中“轴向磁场环形室”的缩写）成为可控核聚变的主要途径。根据IAEA 数据，截至2022年年底，全世界约有130个国有或私营实验性聚变装置，其中90个正在运行，12个在建， 28个计划中。其中约76个托卡马克、13个仿星器、9个激光点火设施以及32个所谓新概念装置。
产生有效聚变功率输出有较高反应条件要求，目前面临三大技术挑战
氚的半衰期只有12.43年，因此在地球上并不存在天然氚。这使得保障氚的供应成为实现受控氘氚聚变反 应所必须解决的重要挑战之一。1GW聚变电站每年需要消耗56kg氚，目前，氚只能从重水堆中获取，乐观 估计重水堆每年产氚量大约3kg，难以维系聚变堆的运行需求。因此，聚变堆在投入首炉氚后，氚必须实 现自持。
氚可以由中子与锂原子 的相互作用产生。天然 锂由两种稳定的同位素 组成，Li-6和Li-7，后 者更为丰富。
国际聚变能发展规划
国际核能大国分别给出了聚变能 发展规划，在关键节点DEMO的设 计、建造、运行上，美国、欧盟、 俄罗斯、日本和印度等分别给出 了2035年左右的时间规划。
我国核能发展“热堆—快堆—聚变堆” 三步走战略体系，聚变堆是核能发展的 终极目标。
发展现状：ITER项目稳步推进，各国装置取得快速进步
托卡马克装置是核 聚变主要装置类型， 目前，世界上主要 的托卡马克装置包 括35个国家合作建 造的ITER，日本和 欧盟合作建造的JT60SA，我国的EAST， 美国的TFTR，欧洲 的JET，韩国的 KSTAR， 法国WEST 等。
ITER：35个国家合作，将建成世界最大托卡马克装置
国际热核聚变实验反应堆（ITER）诞生于2006年，将建成全世界最大的托卡马克装置，整体重23000吨， 环形空腔内的等离子体温度将达1.5亿℃，外部的超导磁体则需要在接近-270℃（液氦温度）的极低温度 运行。ITER项目的核电站将产生大约500MW热能，如果持续运行并接入电网，将转化为约200MW的电能。
欧盟估计，到2035年，仅欧盟在该项目中付 出的成本就将达到181亿欧元（约合196亿美 元）。据此推算，如果整个项目都在欧盟内 进行，那么在此期间ITER的总成本将为410亿 欧元。
2006年，中国正式加入ITER项目，主要参与建造磁体馈线（feeders）和极向场线圈（PF coils）等18个 部件研制制造任务。
2020年7月28日，ITER在法国南部正式开始组装。ITER计划用4.5年完成安装，到2025年进行第一次等离 子体放电，最终验证核聚变商业化应用的可行性。
ITER项目面临工期推迟和成本超出。在2022年发现组件缺陷前，ITER项目已面临推迟和成本增加。2020 年，项目负责人首次警告，2025年的启动日期无法实现。预计2024年底项目才能对推迟时长和额外成本 做出估计。
美国：NSTX-U在升级中，NIF实现能量净增益
TFTR：美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）在1982年至1997年运行TFTR反应堆，1993年，TFTR成 为世界上第一个使用50/50氘氚混合物，并在1994年产生了10.7MW聚变功率。
NSTX-U：NSTX于1999年首次投入使用，2012年到2015年，该设备耗费了9400万美元进行升级，使主磁场 强度达到原来的两倍，并增加了注射中性原子的第二个端口，升级之后该装置命名为NSTX-U。
NIF：美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装 置是目前世界上最大和最复杂的惯性约束聚变研究装 置。耗资35亿美元的NIF旨在通过间接驱动惯性约束聚 变来研究核武器中的基本物理过程，同时也肩负着推 进惯性约束聚变能源研究的任务。2022年12月，NIF实 现了人类历史上第一次核聚变净能量增益。（利用脉 冲激光向实验氘氚靶丸输入了2.05兆焦耳的能量，产 生了3.15兆焦耳的聚变能量，能量增益达到1.5倍）
欧洲：JET氘氚聚变实验产生能量输出59MJ等离子体
JET（欧洲联合环状反应堆）从1983年开始运行，是在日本JT-60SA前规模最大的托卡马克装置。JET位于 卡勒姆聚变能源中心，其科学业务由欧洲聚变能源发展联合会负责运营。
2022年2月，JET产生了能量输出为59兆 焦耳的稳定等离子体。这是自1997年以 来，世界首次进行的氘氚核聚变实验。（JET在5秒内实现了平均超过11兆瓦的 功率输出）
日本：JT-60SA成功点火
JT-60SA，由日本和欧洲提供资金，利用日本Torus-60升级实验(JT-60U)的大部分现有站点基础设施开发， 大多数主要部件都经过了重新设计和制造。JT-60SA于2020年竣工，中央装置高约16米，直径约13米， 是世界第二大等离子体研究设施，仅次于正在建设的ITER。JT-60SA开展的工作将为ITER提供支持。
聚变-裂变混合堆：千年能源方案，实验堆即将建设
铀资源有限推动混合堆发展，安全性和高放核废料处理优势显著
核资源：U-235资源有限，快堆燃料增殖能力有限，难以满足迅速增长的核能需求，需要依赖混合堆高效 燃料转换效率来解决；核安全：包层为keff小于1的次临界系统；高放核废料处理：核电站乏燃料具有放射性强、毒性大、寿命长等问题，混合堆中子通量密度高、能谱 硬，是处理锕系核裂变产物的理想装置。
聚变-裂变混合堆=热核聚变中子源+次临界裂变堆。聚变-裂变混合堆基本原理：利用氘氚聚变中子与Li反应生产氚以满足内部聚变反应所需，剩余中子将可 转换材料（U-238和Th-232）转变为可裂变材料Pu-239和U-233，直接裂变产生能量。
混合堆优势1：大幅降低堆芯等离子体性能及第一壁材料要求;
混合堆优势2：U资源利用率高，相比快堆，不需要U-235或Pu-239的初始装量，燃料增殖能力强；支持比N：一个混合堆生产的核燃料能支持同等功率裂变堆的数量。
混合堆优势3：核废料嬗变，核聚变反应产生的中子可以将长期具有放射性的核反应废物超铀元素分解成 寿命较短的元素；
我国混合堆研究以三大院所为主，实验堆即将进入建设
1983年，中国提出了中国核能发展“三步走”，即“压水堆-快堆-聚变堆”以及“坚持核燃料闭式循环” 方针。聚变堆包含聚变-裂变混合堆、聚变驱动嬗变堆及纯聚变堆。
西南物理研究院：在国家“863”计划支持下，我院自“七 五”期间开展了聚变-裂变混合堆研究，先后完成了试验混 合堆、商用混合堆的概念设计以及试验混合堆的联合设计；“九五”期间完成了实验混合堆工程概要设计，开展了包层 和偏滤器方面的设计研究，建立了工程材料数据库；在用聚 变中子处理长寿命放射性核废料的新堆型设计方面，也取得 了重要成果。
聚变-裂变混合实验堆即将建设：联创超导和中核聚变（成 都）设计研究院有限公司签订协议，采用全新技术路线，联 合建设聚变-裂变混合实验堆项目，技术目标Q值大于30，实 现连续发电功率100MW，工程总投资预计超过200亿元。
中科院等离子体物理研究所：2000年后，合肥等 离子体所在国家自然基金及中科院知识创新共层 项目支持下，开展了系列聚变-裂变混合堆概念的 创新性设计，如球马克堆芯、多功能包层及聚变 驱动嬗变堆等。
超导磁体是托卡马克装置的关键，应用从低温超导发 展至高温超导
超导材料
超导材料：完全导电性、完全抗磁性、通量量子化。超导材料市场规模持续增长，根据欧洲超导行业协会，2022 年，全球超导产品市场规模达68亿欧元。低温超导电材料应用成熟：目前，低温超导材料占国际超导 材料市场90%的左右，全球仅有少数几家企业掌握低温超导线 生产技术，主要分布在美国、英国、德国、日本和中国。
托卡马克装置需要强磁场，低温超导应用成熟
聚变反应堆等离子体约束需要强磁场，等离子体约束时间随着磁场的增加而增加。过去，包括ITER在内 的托卡马克装置都使用低温超导材料。在ITER项目中，超导磁体占ITER成本的28%。
高温超导材料进步，将应用于核聚变产业
美国CFS和MIT提出采用高温超导磁体，以实现聚变装置的小型化和紧凑型。基于高温超导的磁体可以实 现最高20T的磁场强度，该磁体将用于聚变反应堆SPARC。
国内超导带材制造处于国际领先水平。上海超导基于物理气相沉积法制备的ReBCO带材具有全球领先的低 温高场电性能，一流的自场电流密度、优异的磁体绕制性能、极低的交流损耗（0.36-0.5W/m）。
上海超导：上海超导已为CFS批量提供超过一百余公里采用30微米超薄基带的高性能高温超导带材，用于 聚变导体和磁体研制；上海超导与英国TE公司深度合作，于2017-2020年间分批陆续供应宽幅高性能高温 超导带材，用于强场磁体研制及超导可控核聚变。
永鼎股份：专业研发新型千米级第二代高温超导（2G-HTS）带材，发展新型高温超导材料应用技术，实 现2G-HTS带材的产业化及相关应用技术的研究开发。2023年11月20日，永鼎承担建设的我国首条高温超导 低压直流电缆，在江苏苏州并网投运，填补了我国在 超导电缆低压直流系统的应用空白。相比于第一代高温超导带材，第二代YBCO优势明显， 其成本更低，载流能力等性能保持更加优异。永鼎股 份第二代（YBCO）高温超导带材产品已在超导感应加 热设备、可控核聚变、超导电缆等下游应用中广泛应 用。
民营资本涌入推进产业发展，日本已将核聚变上升至 国家产业政策
根据FIA数据，2022年全球私营核聚变公司获得超过48亿美 元的投资，比2021年增长139%， 私人投资对核聚变的投资额首 次超过政府资助。2023年，全 球私营聚变公司获得的投资额 从48亿美元增加至62亿美元。新增资金包括美国TAE技术公 司2.5亿美元、中国新奥科技 发展公司2亿美元、日本京都 聚变技术公司7900万美元、中 国能源奇点公司5500万美元等。
FIA调研的30家从事核聚变的企业中，有4家给出预计2030年前向电网供电，有15家给出预计2030-2035年间实现向电网供电。FIA调研的40家从事核聚变的企业中，有6家认为核聚变发电有望在2030年之前实现，20家认为核聚变发 电有望在2031-2035年间实现。
美国Helion Energy：2023年5月，美国Helion Energy宣布将在2028年之前建成世界上第一座聚变发电厂。Helion Energy成立于2013年，已筹集超过5.7亿美元的私人资本。ChatGPT母公司OpenAI首席执行官Sam Altman在2021年对Helion Energy投资3.75亿美元。Helion Energy预计核聚变电厂投产后将在1年内实现 至少50MW的发电能力。微软已与Helion Energy签订了电力购买协议。
美国CFS：CFS（Commonwealth Fusion Systems）源于MIT的等离子科学和聚变中心，成立于2018年， 2021年完成18亿美元B轮融资，新参与者包括比尔盖茨、谷歌等。CFS计划在美国建立一座聚变反应堆 SPARC，预期在2030年代初期实现商业核聚变发电。SPARC目标实现Q>2，并为ARC聚变核电站建设奠定基 础。
英国Tokamak Energy：由来自世界领先的卡勒姆聚变研究机构的前沿科学家创立，成立于2009年，总部 位于英国牛津郡。Tokamak Energy计划在2026年完成ST80-HTS以展示高温超导磁体的全部潜力，并为其 核聚变试验工厂ST-E1的设计提供信息，该工厂计划在2030年代产生200MW电力。2023年4月，Tokamak Energy宣布已建造出世界首套新一代高温超导(HTS)磁体，将在美国实验室极端条件下进行测试。
日本将核聚变上升至国家产业政策
日本能源匮乏，能源自给率只有13%左右，在全球推进碳中和的背景下，日本政府将核聚变能视为支撑未 来超智能社会的重要基础。2023年4月，日本推出《核聚变能创新战略》，旨在通过建立庞大的国内核聚变产业，在未来商业化利用 核聚变能中占据主导地位。《战略》确立了两大重要抓手——核聚变技术开发和核聚变产业培育，力求 通过产学官通力合作先于其他国家制造出商业核聚变装置，在2050年实现核聚变发电目标，积极抢占国 际市场。《战略》以“推进全球新一代能源——核聚变能实用化，利用本国技术优势，占领市场，实现核聚变产 业化发展”为愿景，提出了未来十年日本支持核聚变能发展的主要举措，涉及核聚变技术开发、核聚变 产业培育和相关体制机制等。
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