聚变优势、研究进展及项目梳理

聚变能兼具高能量密度、安全性和清洁无污染优势。

核能的释放通常依托核聚变和核裂变两种方式进行。根据科技日报， 核裂变是将较重的原子核分裂为较轻的原子核并释放能量。核聚变是将较 轻的原子核聚合反应而生成较重的原子核。这个过程伴随着质量损失，由爱 因斯坦质能方程 E=mc2，损失的这部分质量会转换成巨大的能量。

与核裂变相比，核聚变具有两方面固有安全性。首先，实现聚变反应的 条件十分苛刻，需要足够高的等离子体温度、密度，并维持一定的反应时间， 因而聚变反应的前提是大量精密的电、磁、压力、温度准备，一旦不满足某 条件聚变反应即停止，造成托卡马克型聚变堆的等离子体熄灭；其次，聚变 堆运行过程中，聚变燃料以等离子体形态在真空室内进行反应，聚变燃烧的 产物实时从真空室中导出，真空室内不像裂变堆时刻存在着大量的核燃料， 而堆结构材料内的短寿命活化产物的衰变热非常低，安全性更高4。

面对能源与环境的双重挑战，兼具高能量密度、安全性和清洁无污染 优点的聚变能是化石能源的优质替代项。据国家能源局，氘-氚聚变所需的 反应原料中，氘储量丰富——1 公升海水里提取出的氘，在完全的聚变反应 中可释放相当于燃烧 300 公升汽油的能量；氚可通过中子与锂反应生成， 锂在地壳和海水中广泛存在。可控核聚变的产物为氦和中子，不排放有害气 体，也几乎没有放射性污染，具有环境友好的优点。根据《Tokamaks》和《中 国核电和其他电力技术环境影响综合评价》，核聚变能储量更大、排碳更少， 是传统化石能源的优质替代项。

核聚变的关键原料氚储量极少且价格高昂，聚变堆需要有氚增殖剂实 现氚的自持。氘-氚聚变反应见式（1），为有效获取氚进行核聚变反应，一 般选用含 Li 材料作为聚变堆有氚增殖剂，通过 D-T 反应后的中子与 ?? 3 6 发 生核反应得到氚，反应见式（2）。增殖剂材料包括锂的液态金属和固态锂 ?? 3 6 陶瓷两种。液态增殖剂存在腐蚀性强、磁流体效应，且存在泄漏风险， 故不常使用；固态增殖剂常用含有一定丰度的锂陶瓷，如中国氦冷固态包层 （HCSB）选用 Li4SiO4 小球为增殖剂材料。制备氚并使之自持是目前聚变 工程堆尚待验证的核心关键技术5。 技术和成本门槛高，核聚变商业化前景可期。据中国科学院合肥物质 科学研究院，实现核聚变发电的两大技术难点是如何实现上亿度点火和等 离子体稳定长时间约束控制，需要将上亿度等离子体与零下 269 度超导磁 体、高热负荷等离子体与壁材料相互作用、动态精密控制等多项极端条件同 时高度集成和有机结合。FIA《The global fusion industry in 2023》列举了 8 家投资规模在 2 亿美元以上的聚变公司。对于实现聚变发电时间的预测， FIA调查的40家聚变公司中有65%认为可以在2035年前实现向电网输电。

常规托卡马克装置验证聚变能商业化可能性。上世纪 50 年代，第一个 托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。70 年代初, 在苏联 T-3 托卡马克上获得超过 1000 万度的等离子体, 国际上很快形成了较大规 模, 以托卡马克为主流的磁约束研究方向。90 年代，欧盟的 JET、美国的 TFTR 和日本的 JT-60 这 3 个大型托卡马克装置在磁约束核聚变研究中获得 许多重要成果 6。

超导托卡马克装置是可控热核聚变能研究的重大突破。常规托卡马克 装置的输出成果只能持续数秒，无法满足商业电站的应用要求，而苏联在 70 年代建造的 T-7 托卡马克是世界上第一个超导托卡马克装置，在工程上验 证了纵场磁体能够在这类磁容器上实现连续稳态运行6。 我国的可控核聚变研究几乎与国际同步。据人民日报，1956 年正值我 国制定“十二年科技规划”之际，钱三强、李正武等科学家倡议在我国开展 “可控热核反应”研究，以探索核聚变能的和平利用。1965 年，我国成立 聚变能开发专业研究基地，并于 1984 年建成我国核聚变领域第一座大科学 装置——中国环流器一号（HL-1）托卡马克装置。自 2008 年我国科学技术 部成立国际热核聚变实验堆（ITER）核聚变中心以来，我国陆续承担了 18 个采购包的制造任务，共有上百家科研院所、企业直接参与。 国内核聚变研发成果频出，可控核聚变创新联合体成立。据《中国能源 报》2023 年 11 月报道，中国国际核聚变能源计划执行中心专家表示，2008 年以来，我国国家磁约束核聚变能发展研究专项共部署 220 个项目，总计 安排经费约 60 亿元。据中核集团，2023 年 12 月 29 日由其牵头 25 家央企、 科研院所、高校等组成可控核聚变创新联合体，中国聚变能源有限公司(筹) 揭牌，第一批未来能源关键技术攻关任务发布，国务院国资委明确可控核聚 变为未来能源的重要方向。

全球聚变项目建设投入不辍，中外聚变公司技术路线明确。ITER：七方合作，探索聚变作为大规模无碳能源可行性。据中国科学 院合肥物质科学研究院，国际热核聚变实验堆计划简称 ITER 计划，是目前 全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。由中国与欧盟、印度、 日本、韩国、俄罗斯和美国七方共同实施，旨在建立世界上第一个受控热核 聚变实验反应堆。作为七方成员之一，中国承担了 ITER 装置近 10%的采购 包。中科院合肥物质科学研究院等离子体所是中方任务的主要承担单位，自 2009 年以来主持了包括超导导体、校正场线圈、磁体馈线系统等制造任务， 目前承担的大部分采购包部件已实现国产化。

中方联合体中标 ITER 总装核心工程，已完成首个超导接头安装。据 中科院合肥物质科学研究院，由中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所、中国核电工程有限公司、中国核工业二三建设有限公司、核工业西 南物理研究院等科研机构组成的中方联合体，于 2019 年 7 月成功中标 ITER 托卡马克主机 TAC-1 安装标段工程。TAC-1 安装标段包括托卡马克主机超 导磁体系统、磁体馈线系统、杜瓦、冷屏、诊断线缆等总装任务。据等离子 体所，2022 年 12 月，TAC-1 项目首个超导接头完成组装连接。

JT-60SA：ITER 的卫星托卡马克项目，已投入运行。据科技日报，JT60SA 计划是欧盟和日本的联合建设项目，是国际热核聚变实验反应堆计划 （ITER）的先行项目。JT-60SA 反应堆的目标是研究聚变作为一种安全、大 规模和无碳的净能源的可行性。ITER 和 JT-60SA 的最终目标都是使内部的 氢核融合成氦，以光和热的形式释放能量，模拟太阳内部发生的过程。日本 量子科学技术研究开发机构那珂研究所于 2023 年 12 月举行了 JT-60SA 开 始运行仪式。 EAST：全超导托卡马克，创造高约束模式运行新世界纪录。根据中国 科学院合肥物质科学研究院，EAST 是由其等离子体物理研究所自主设计研 制的具有完全知识产权的世界首个全超导非圆截面托卡马克装置，中文名 为“东方超环”。2021 年 5 月 28 日，EAST 装置实现了可重复的 1.2 亿度 101s 等离子体运行和 1.6 亿度 20s 等离子体运行。2021 年 6 月 8 日，EAST 装置总放电实验次数突破 10 万次。2023 年 4 月 12 日，EAST 成功实现 403 s 可重复的稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，创造了托卡马克装置高约 束模式运行新的世界纪录7。

CFETR：以实现聚变能源为目标，有望建成世界首个聚变实验电站。 根据光明日报，中国聚变工程实验堆（CFETR）2017 年 12 月正式开始工程 设计。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，开始 建设聚变商业示范堆。