2025年可控核聚变行业深度报告：核聚变产业进程加速，多技术路线并行发展

一、核聚变有望成为终极能源，工程化落地提速

1.1 核聚变兼具多方面优势，或成为人类文明终极能源

核聚变是两个轻原子核（比如氘氚）在高温高压条件下克服库伦斥力结合成较重原子（氦）， 并释放大量能量的过程。质量小的原子，在超高温高压条件下，能让核外电子摆脱原子核 束缚，两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量 更重的原子核。中子质量比较大且不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束 缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。

核聚变兼具能量密度高、反应物充足、安全性高、环保等优势，有望成为人类文明终极能 源：能量密度高：根据《核裂变与核聚变发电综述》，核聚变能量释放效率比传统化学能 源燃烧效率高百万倍，氘和氚聚变为 1 克氦过程中所产生的聚变能相当于 11.2 吨标 准煤。 燃料供应充足：氢的同位素包括氘、氚，其中氘以重水形式在海洋中储存，储量充沛； 氚半衰期短、在自然界没有稳定存在，但可用中子轰击锂-6 制备。 零排放：核聚变在反应过程中，不产生温室气体、高放射/长寿命核废物，反应过程 相对清洁。 安全性高：核聚变反应属于自限过程，维持核聚变反应需要超过 1 亿度高温、燃料的 连续输入等严苛的边界条件，一旦条件不满足就会自发停止。 氘氚聚变凭借反应截面大、点火温度较低和能量输出效率高等优势，是目前广泛采用的反 应方式。目前常见的聚变反应包括：D-T（氘氚聚变：主流），D-D（氘氘聚变），p11B（质 子-硼 11 聚变），D3He（氘-氦 3 聚变），3He3He (氦 3-氦 3 聚变)。其中氘氚聚变（DT聚变）兼具反应截面大、能量输出效率高、材料供给充沛等优势，是聚变反应中的主流燃 料来源。一方面，氘氚聚变具有最大的反应截面，所需的加压、加温等外部条件要求低， 能够在相对较低的1.5亿摄氏度下即可发生反应；另一方面，氘氚聚变单次反应可释放17.6 MeV 的能量，能量输出强劲。

聚变三乘积（nTτ）指的是离子体温度（T），原子核密度（n），能量约束时间（τ）三 者的乘积，即劳森判据中的“三重积”，是衡量核聚变反应可否自持进行的核心指标。根 据劳森判据，要实现核聚变反应，离子体温度、原子核密度、能量约束时间乘积需大于一 定值，即大于 5x102m- 3·s·keV。极高温可使原子核获得足够能量以克服其库仑势垒； 原子核密度越大则其碰撞效率也越高，从而提升核聚变反应率；能量约束时间对应等离子 体总能量热传导损失耗时，时间越大代表反应装置隔热效果好、能量损失少，促进反应率 提升。只有当三重积数值足够高时，核聚变反应方能实现能量产生效率大于损失效率，不 需要外部能源持续输入即可自发维持反应。

能量增益因子 Q 是指核聚变反应输出能量与输入能量之比。当 Q 值>1 时，就意味着可控核聚 变产生的能量大于消耗的能量，获得了净聚变能，对核聚变可行性实现了印证。但在实际工程 应用中，核聚变反应需要在满足产生能量远大于输入能量并稳定、持续输出，考虑到反应过程 中的能量损耗，Q>1 是远远不够的，一般而言认为 Q＞30，才会被认定为具备商业化发电的 潜力。

磁约束、惯性约束等主要技术路线均在实验过程中实现 Q＞1，取得里程碑式进展。2022 年 12 月劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF）进行的实验实现了 “点火”， 首次成功在惯性约束核聚变反应中实现“净能量增益”，即聚变反应产生的能量大于促发 该反应的镭射能量。实验向目标输入了 2.05 兆焦耳的能量，产生了 3.15 兆焦耳的聚变能 量输出，能量增益 Q 达到 1.53，对理论模型可靠性实现验证，但若考虑到激光器电能到 激光之间的能量损耗（不足 1%），则系统总 Q 值仍小于 1。日本 JT-60U 是 1985 年启动 的大型托卡马克核聚变实验装置，采用磁约束技术路线，在 JT-60 基础上进一步改进，于 1996 年实现 1.25 的能力增益 Q。

1.2 核聚变正朝工程化可行加速落地，AI大发展加快核聚变商业化进程

核聚变产业发展可分为科学理论、科学可行性、工程可行性、商业可行性和商业堆等五个 阶段，历经多年发展，当前正朝着向工程可行性乃至商业可行性发展。从 1934 年氘氚聚 变反应被实现以来，苏联、英国、美国等多国都设立了聚变物理实验室，开始了对核聚变 实验研究。1968 年，苏联利用托卡马克装置完成了重大突破，实现等离子体电子温度大 于 1 keV，电流脉冲宽度大约为 50 毫秒，能量约束时间达到 7 毫秒，10 倍于当时受困 于 Bohm 扩散极限的其他类型聚变实验装置，这在当时是历史性的突破。到 20 世纪 90 年代，欧盟的 JET，美国的 TFTR 和日本的 JT60 这三大托卡马克装置在磁约束核聚变研 究中获得了许多重要成果，验证了基于氘氚聚变的磁约束聚变作为聚变反应堆的科学可行 性。根据李建刚院士在中国聚变工程实验堆集成工程设计研究项目启动会上的介绍，我国 聚变工程发展路径分“实验堆-示范堆-商用堆”三步走，目前处于实验堆阶段。实验堆是可控核 聚变实现商业化的第一步，主要目的是验证聚变能源的科学原理和基础技术。第二阶段，到 2035 年建成中国聚变工程试验堆，调试运行并进行物理实验。第三阶段，到 2050 年开始建设 商业聚变示范电站。

多国通力合作，国际核聚变标杆项目 ITER 历经概念设计、工程设计等多阶段，引领热核聚变 发展方向。在国际原子能机构 IAEA 的组织下，由美国、苏联、欧洲和日本组成的四方经讨论 确定了合作机制，1988—1991 年开展了 ITER 概念设计，1992—1998 年完成了工程设计及关 键技术预研，1999—2001 年完成了修改完善设计聚变能先进托卡马克（ITER−FEAT）。ITER 的设计体现了当前世界最先进的托卡马克技术，拥有多项世界之最。ITER 作为世界最大的热 核聚变实验堆合作项目之一，其主要的科学目标是，第一阶段通过感应驱动获得聚变功率大于 500MW、Q 值大于 10，脉冲时间 500s 的燃烧等离子体；第二阶段，通过非感应驱动等离子 体电流，产生聚变功率大于 350MW、Q 值大于 5、燃烧时间 3000s 的等离子体，研究燃烧等 离子体的稳态运行；第三阶段，实现 Q 值介于 3-5 之间的稳态运行。

全球各国及产业巨头加码可控核聚变研发推进，示范核电厂（DEMO）提上日程，产业对 行业发展前景乐观，商业化供电有望于 10 年内实现。中国 CFETR、欧盟 EU-DEMO、韩 国 K-DEMO、日本 JADEMO 计划于 2035 年至 2040 年开始建设，并于 2050 年开始运营。 多国政府高度重视核聚变产业布局，美国能源部在 2024 年 6 月提出其核聚变战略，日本 近 2 年将原型电站建设计划提前 20 年左右，英国政府 2025 年宣布追加 25 亿英镑资助 STEP 原型电厂建设，欧盟预计 2025 年底发布首个聚变能源战略。此外，海外科技巨头 也纷纷加码聚变产业投资，谷歌、雪佛龙科技巨头等通过投资 TAE Technologies、CFS 等核聚变创业公司加码核聚变行业。根据《The global fusion industry in 2025》，在受访 公司中，预计 2031-2035 年实现商业化供电的公司最多。

AI 技术有助于为核聚变相关工作人员提供重要助力，在挖掘等离子体运动规律、预测反 应进展及结果、优化反应条件等方面提供有力支撑，加快核聚变商业化进程。人工智能（尤 其是强化学习）在托卡马克中等离子体的控制约束过程中可发挥重要作用。比如，过去高 度依赖人工经验介入的等离子体数据分析耗时耗力，引入 AI 后从“至少数小时建模”变 成“毫秒级求解”，还能开展实时趋势预测，为未来聚变堆的设计、优化提供了关键理论 支撑；借助 AI 模型实现提前 300 毫秒预测，能有效避免因等离子体不稳定导致的核聚变 反应中断。2022 年，谷歌旗下 DeepMind 与瑞士洛桑联邦理工学院瑞士等离子体中心联 合，开发了一个人工智能深度强化学习系统，并成功实现对托卡马克内部核聚变等离子体 的控制。

1.3 核聚变目前仍存在诸多技术限制，产业端加码纾解落地堵点

尽管如美国 NIF 实验装置已实现净能量增益＞1，但若要实现长时、稳定可控、能量增益 因子 Q＞1 的反应自发运行，当前仍受制于能量平衡、材料性能、氚自持等因素，尚面临 较大挑战。主流核聚变技术路径尚未完全实现闭环验证，且经济性的实现尚需验证。 核聚变反应环境极端，核心零部件需面对等离子体辐照、高能中子辐照等影响，材料要求严苛。 等离子体材料，包括第一壁、偏滤器及限制器的装甲材料等，在服役期间需要直接面对超高热 流、低能高束流的氢氦等离子体辐照、高能中子辐照等极端环境，此外还同时受到核聚变反应 产生的氦、氢及其同位素等气体原子的影响，易受损伤、脆化。

氚自持是决定核聚变持续运行的关键一环，目前仍处于研发、实验验证阶段。在氚自持过 程中，氚增殖比（TBR）是核心衡量指标，其定义为包层中产生的氚原子数量与聚变反应 消耗氚原子数量之比，以 1 为分界线，若 TBR＞1，则意味着理论上可实现氚的自持循环， 从而实现核聚变反应持续运行。由于氚在提取、回收过程中有损失，且考虑到会有部分氚 滞留、泄露，因此工程上往往要求设计 TBR＞1.05 以确保一定冗余度。当前氚增殖包层 仍存在化学物质腐蚀、放射性、氚滞留和渗透损失等问题，处于研发、实验验证阶段。

二、核聚变实现路线百花齐放，托卡马克为主流应用

核聚变反应常在超 1 亿摄氏度等要求严苛的环境下进行，此时反应物质以高温等离子体形 式存在，需要以合适的约束方式来实现反应的进行，根据不同技术路线，核聚变可分为引 力约束、磁约束及惯性约束：

引力约束聚变的典型案例为太阳，但人类在地球上难以实现：太阳发光发热的能量来 源是引力约束核聚变。太阳自身质量巨大，可以通过自身巨大的引力把核燃料束缚在 一起。太阳内部的压力非常大，在极端高温高压的环境下，核燃料发生核聚变反应释 放能量。但缺点是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 此人类现阶段的技术手段尚无法在地面上制造出可实现引力约束核聚变的反应堆。

磁约束聚变通过强磁场约束高温等离子体以实现持续反应放能，稳定性强，工程复杂 性、经济性、材料性能有提升空间：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，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。其优势体现在稳态运行、 燃料灵活性、放射性物质少等，但工程复杂性相对较高，材料性能及经济性尚有提升 空间。

惯性约束聚变通过激光或离子束瞬间压缩燃料靶丸并利用其惯性维持聚变条件，无需 持续约束，但约束时间、效率欠佳：利用驱动器提供的能量（如激光、粒子束等）使 靶丸中的核聚变燃料（氘、氚）形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作 用还来不及向四周飞散的极短时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从 而发生核聚变反应，其优势在于小型化潜力大、开关火控制性能较好，单次点火无需 维持等离子体，但能量利用效率相对低、约束时间短、靶丸制备难度及成本较高。

2.1 磁约束聚变：

磁约束聚变本质上通过磁场使带电粒子进行规律运行。带电粒子在磁场中会因受洛伦兹力 而在磁场线上并围绕磁场线螺旋线性运动。磁约束聚变主流技术方案包括磁镜、仿星器及 托卡马克，其中托卡马克是技术最成熟、应用最广泛的技术路径。

2.1.1 磁镜：结构简单但约束时间较短

磁镜利用带电粒子在磁场中的反射效应约束等离子体，结构简单，但约束时间短且存在带电粒子损失。磁镜是一种直线型磁约束核聚变装置，端部磁场比中间高，等离子体粒子在 高磁场端部反射而被约束，故称磁镜。它利用了“磁镜效应”，即带电粒子在磁场中运动 时的守恒特性，使得带电粒子在磁场中运动时能够像镜子一样“反射”，可以在两端磁场 较强、中间磁场较弱的磁场中把带电粒子约束在弱磁场区。优点是直线型磁场，结构简单、 易于实现高温，缺点是存在带电粒子损失，等离子体约束时间短。

2.1.2 仿星器：约束时间更好，线圈结构复杂，建造成本高

仿星器通过构建复杂的环向闭合磁场线约束并稳定高温等离子体，约束时间更长、稳定性好， 但线圈结构复杂、装置建造成本高。仿星器是一种先进的磁约束聚变实验设备，以其独特的三 维磁场构型而著称。这种设备的设计核心在于使用外部线圈系统产生复杂的闭合环向磁场线， 以约束和稳定高温等离子体并抑制粒子漂移损失。仿星器的等离子体通常被约束在一个扭曲的 环形结构中，且由于没有内部电流，仿星器理论上能够实现更长时间的等离子体约束、提供更 好的等离子体稳定性，适合稳态运行、材料要求低，但线圈结构复杂，装置建造成本高。目前 主要仅德、日等国拥有完整装置。

2.1.3 托卡马克：工程可行性及稳定性佳，目前产业应用主流路线

托卡马克通过等离子体电流与环向磁场耦合，形成闭合磁笼，工程上相对易于实现且稳定性好， 是目前的主流技术路线。托卡马克利用磁场来约束高温等离子体的环形聚变实验设备，也是当 前可行性较高的技术路线。20 世纪 50 年代，苏联科学家提出“托卡马克”（Tokamak）磁约 束核聚变装置，它的名字由俄文中环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈 （kotushka）四个词的前几个字母组成。托卡马克工作放电时，中央螺线管（CS）线圈通过变 化磁通激励等离子体产生环向电流，该电流与外部极向场线圈（PF 线圈）产生的极向磁场耦 合，形成螺旋形磁场构型。极向场线圈进一步抵消等离子体压力引起的纵向膨胀力，并抑制磁 流体不稳定性，从而维持等离子体形状与稳定性。

中科院等离子体所基于 T-7 研发 EAST，2025 年实现 1 亿摄氏度千秒运行创世界纪录。中科院 等离子体物理研究所在苏联 T-7 托卡马克基础上持续迭代，推出 EAST 装置，其开发了许多重 要的技术，包括超导磁体系统、加热和电流驱动系统、主动冷却偏滤器，并实现了可重复的 100 秒高性能等离子体放电，在类-ITER 整体铸造、平瓦钨偏滤器条件下，通过结合 ECRH 与 LHCD，使电子温度达到了 1.2 亿摄氏度，创造了托卡马克装置高温长脉冲运行的记录。历经十余年发展，EAST 于 2025 年 1 月首次完成 1 亿摄氏度下 1000 秒“高质量燃烧”。

2.2 惯性约束聚变

惯性约束聚变包括激光惯性约束和 Z-箍缩惯性约束等形式。激光约束通过激光或离子束 辐照靶丸表面，通过电子热传导将能量传递至靶丸以出发聚变反应。其激光脉冲短，约为 纳秒级，总效率约 2%且重复频率低，能量转换效率较低； Z 箍缩（Z-pinch）驱动惯性约 束聚变是由脉冲电流产生的强磁场作用于自身载流等离子体负载，使其受到洛伦兹力作用 而向负载轴心内爆，通过惯性约束实现热核点火和燃烧。

2.2.1 激光惯性约束：短时高能输出优势显著

激光约束通过激光或离子束辐照靶丸表面，通过电子热传导将能量传递至靶丸以出发聚变 反应。激光惯性约束聚变（ICF）通过高能激光直接辐照或经黑腔转换为 X 射线间接驱动 微型氘氚靶丸，压缩燃料至百倍液态密度（约 100-1000 g/cm³），局部形成高温热斑（5-10 keV）触发聚变。其激光脉冲短，约为纳秒级，总效率约 2%且重复频率低，能量转换效 率较低，更多适用于点火研究。

目前激光驱动惯性约束聚变的途径包括直接驱动与间接驱动。直接驱动采用入射激光直接 辐照靶丸，通过烧蚀靶丸外壳产生反冲压力，驱动内爆压缩燃料；间接驱动是将入射激光 辐照到黑腔内壁，利用部分激光能量转换成的 X 射线作为驱动源，均匀烧蚀靶丸外表面， 其辐照均匀性更好，利于实现点火。目前间接驱动应用更为主流，如美国 NIF 和中国神光 系列均采用此技术方案。但其能量利用效率相较直接驱动更低，暂只适用于单次点火试验。

2.2.2 Z-箍缩惯性约束：能量转换效率、体积、成本具备优势

Z 箍缩（Z-pinch）驱动惯性约束聚变是由脉冲电流产生的强磁场作用于自身载流等离子体 负载，使其受到洛伦兹力作用而向负载轴心内爆，通过惯性约束实现热核点火和燃烧。箍 缩效应（pinch effect）是指等离子体电流与其自身产生的磁场相互作用，使等离子体电流 通道收缩、变细的效应。 Z 箍缩驱动惯性约束聚变可分为 间接驱动（黑腔辐射）和 直接驱动（等离子体套筒压缩）：

间接驱动（黑腔辐射）：利用 Z 箍缩内爆产生黑腔辐射场，压缩氘氚（DT）靶球，实 现热核点火与燃烧，传导机制为“电流→等离子体套筒→X 射线辐射→靶丸内爆→聚 变点火”。

直接驱动（等离子体套筒压缩）：利用 Z 箍缩套筒内爆直接压缩燃料实现聚变。传导 机制为“电流→等离子体套筒→高速内爆→靶丸压缩→聚变点火”。其为相对结构简 单（无黑腔）、能量转换效率稍高的技术路线，美国 Z Machine 和我国“聚龙一号”均 采用此方案。

Z 箍缩约束的能量转换效率较激光约束更高，体积小型化且设备造价相对低，具有较大发 展潜力。一般而言，聚变堆包含多个物理特性差异显著的子系统，复杂度远超裂变堆，因 而简化系统设计是提高聚变堆可利用率的有效手段。Z 箍缩装置的驱动器和包层在空间上 分离，有利于模块更换维护，从而提升可靠性。根据《国内外典型惯性约束核聚变装置》， Z 箍缩装置的电能转换效率可达 15%，显著优于激光惯性约束，此外，其无需复杂磁场线 圈，驱动器造价相对低廉且体积小型化潜力大，但在材料耐辐照与耐热性、等离子体稳定 性、重复频率等方面仍需进一步优化。我国已经建立了较为完善的 Z 箍缩驱动器、理论与 数字模拟、实验、诊断和制靶的综合研究能力，计划在 2025 年前建成 30-40MA 级驱动器 （如电磁驱动大科学装置），2035 年后推进更高电流（如 60MA）装置研发，以实现聚变 能源商业化。 Z 箍缩聚变-裂变混合堆（Z-FFR）利用热核聚变产生的大量中子驱动次临界裂变堆而释放 能量，在能源利用率、工程落地能力、经济性、环境友好型等方面具备优势。Z 箍缩聚变 -裂变混合堆（Z-FFR）在 Z 箍缩技术路线的基础上将聚变、裂变过程结合来生成发电。 Z-FFR 由中国工程物理研究院于 2008 年提出，核心部件包括 Z-箍缩驱动器、聚变靶与爆 室、深次临界裂变包层等，整合局部整体点火靶、先进次临界能源堆、轻水慢化创新方案 等技术。从原理上，其利用聚变反应生成的高能中子来激发包裹在聚变堆芯周围的铀-238、 钍-232 等燃料的裂变反应并利用其产生的能量，裂变包层泄漏中子用于产氚，在燃料循环 系统中实现氚的“自持”循环。Z 箍缩混合堆可实现约 20 倍的能量放大倍数，大幅降低 聚变功率、材料耐辐照及氚资源消耗等要求，实现烧贫铀或乏燃料并兼顾次锕系核素嬗变， 将铀利用率提高至 90%以上。此外，其具有良好的经济性，100 万千瓦的纯聚变堆建堆成 本超过 100 亿美元，而 Z 箍缩混合堆成本约 30 亿美元。此外，Z 箍缩驱动的混合堆运行 时燃料消耗为 1 吨铀/年，产生废料 1 吨/年，处理废料消耗的资源少。

三、托卡马克成本拆分及细分部件概览：磁体、真空室等 部件占据主要成本构成

托卡马克是当前主流设备，以代表性的 ITER 为例，托卡马克装置包括包层、真空室、磁 体系统、偏滤器、真空杜瓦等主要部件及包括低温系统、真空系统、电源诊断系统等在内 的支持系统。磁体系统是装置核心，决定了磁场强度和均匀性。 以代表性 ITER 低温超导托卡马克装置为例，磁体系统成本占比达 28%。在 ITER 低温超 导托卡马克装置中，磁体占比最高，达 28%、堆内构件、真空室等主要结构件占比 25%， 其他辅机占比 33%，建筑占比 14%。实际建造过程中，工厂总体成本（包括建筑成本和 非主机装置的支持部件及附属系统）高于预期，导致 ITER 预算逐年上升。 高温超导 DEMO 堆中，磁体系统成本占比有所下降。在高温超导 DEMO 堆中，磁体系统 或随高温超导结构设计优化而显著降本，根据《Superconductors for fusion: a roadmap》， 其在总成本占比由低温超导试验堆的 28%降至 12%，堆内构件、真空室占比 17%，加热和电流驱动、低温和冷却系统、仪表监测与控制、电力供应、其他辅机合计占比 31%，辅 助设备系统占比 25%。高温超导材料可以通过提高磁场强度、减小装置尺寸从而显著降低 磁体系统在整个托卡马克成本中的占比，降低了成本。这一成本结构的变化凸显出，随着 高温超导技术的成熟和磁体系统效率的提高，价值量正在向更多关键子系统转移。

3.1 磁体系统：实现等离子体稳定运行的核心系统，高温超导材料渗透率有望 提升

磁体系统主要以超导材料为主要技术路线，目前以低温超导材料为主，高温超导材料渗透 率呈提升趋势。托卡马克装置的磁体系统是核心部件，其材料技术的演化迭代直接决定了装置的性能边界及商业化可行性。历史沿革来看，托卡马克磁体系统整体沿着“铜基磁体 -低温超导-高温超导”的方向演进，整体呈现在技术迭代优化背景下追求提升装置反应率、 降低成本的趋势，追求磁场强度及经济性的平衡。目前铜基磁体已基本被淘汰，产业内托 卡马克主要以超导磁体为主要技术路线，高温超导应用随技术成熟度提升、成本的降低而 逐步扩容。产业端，ITER 主要采用低温超导材料，而美国 SPARC、中国“星火一号”等 新型聚变装置正尝试采用二代高温超导材料 REBCO 等材料。 托卡马克大型超导磁体是实现兆安级、上亿度高温等离子体精准约束和稳定运行的核心系 统，包括环向场、极向场、中心螺管线圈。托卡马克通过环向场线圈及中央螺线管产生的 强大磁场对等离子体进行控制，并通过极向场线圈进一步强化控制以使等离子体均匀分布。 超导线圈一般采用管内电缆导体（CICC）进行绕制，它具有良好的自支撑、较低的交流 损耗、所需低温冷却介质少、运行安全可靠、性能高等特点，是目前国际上公认的受控热 核聚变装置中的大型超导磁体、强磁场磁体等装置的首选导体结构。以 ITER 装置为例， 其超导磁体系统由极向场线圈、纵场线圈、中心螺管和外部环向场线圈结构组成，是托卡 马克最核心的构件。ITER 目前主要依赖低温超导材料，其中心螺线管线圈（CS）与 18 个纵场线圈（TF）采用铌三锡（Nb₃Sn）超导材料，而极向场线圈（PF）与校正场线圈 （CC）采用铌钛（NbTi）超导材料。

超导材料具有零电阻、完全抗磁性、量子隧穿效应三大基本特性。超导全称超导电性，是 凝聚态物质中首个发现的宏观量子现象，指某些材料在满足临界条件（临界温度 Tc、临 界磁场 Hc、临界电流 Ic）时，电阻突然变为零的现象，具备这种特性的材料被称为超导 体或者超导材料。超导材料具有零电阻、完全抗磁性、量子隧穿效应三大基本特性： 零电阻效应：又称“完全导电性”，即低于临界温度 Tc 时，超导体的电阻迅速降为零 的特性。 迈斯纳效应：又称“完全抗磁性”，即在磁场强度低于临界磁场强度 Hc 时，外界磁 场的磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象。 量子隧穿效应：是指在“超导体－薄绝缘介质层－超导体”组成的三明治结构中，电 子可以穿过绝缘层从而形成隧穿电流的现象，这种结构也被称为约瑟夫森结，中间绝缘层的典型厚度为 1.5~3nm。

超导材料载流性强，可构建更强磁场，在可控核聚变、能源传输、医疗、工业等领域具有 广阔应用前景。凭借超导体的三大特性，其可实现大电流无损运输、强磁场构建等技术， 是具有战略意义的前沿新材料。超导材料具备载流性强等特性，可显著提升磁场强度，从 而提升等离子体约束时间，带来更高的聚变三重积，在可控核聚变的发展起重要作用。此 外，其在超导电力、大科学装置、高端制造、医疗装备及交通运输等方面有广泛应用。

超导材料种类多样，主要可分为低温超导材料及高温超导材料。超导电性自 1911 年被发 现，迄今已发现金属单质超导体、金属化合物合金、铜基氧化物超导体和铁基超导体等多 种类型、上千种超导材料，但基于对热稳定性、载流性等的性能考量，当前仅有少数材料 具有实用价值。根据临界温度（Tc=25K）、材料类型、对外磁场响应程度等，超导材料可 划分为多种不同类别。超导材料在核聚变中的应用中，主要分为低温超导材料及高温超导 材料：

低温超导材料（Tc<25K）技术更成熟，是目前的主要应用，但依赖液氦循环等系统 实现冷却。材料通常以铌钛（NbTi）和铌锡（Nb3Sn）为主，超导临界温度远低于液 氮 77K 的沸点，因此一般采用液氦进行冷却并配备液氦循环、超真空绝热等系统。 根据华经产业研究院，低温超导材料技术更为成熟，2022 年在全球超导材料中占比 超 95%。

高温超导材料（Tc≥25K）载流性、磁场强度性能更强，更契合核聚变装置的使用需 求，有助于提升聚变反应率、降幅装置尺寸并减少冷却成本，随着供给端发力研发及 扩产，其经济性提升有望带来规模应用加速落地。高温超导材料主要包括 Bi-Sr-Ca-Cu-O（BSCCO）和 Y-Ba-Cu-O（YBCO）材料、MgB2 超导材料、铁基 超导材料等，其中以 BSCCO 与 REBCO 为代表。高温超导材料载流性、磁场强度更 高，对应提升等离子体约束时间、减少能量损失并提升聚变反应率。聚变功率正比于磁场强度的四次方，反比于装置半径的三次方，因此可显著降低核聚变装置的尺寸。 此外，由于高温超导材料临界温度更高，因此可在液氮温度下运行，相较于低温超导 材料可省去液氦装置等相关冷却成本。高温超导材料不足之处在于，其仍处于商业化 早期阶段，带材制备成本相对高昂，但边际上呈迅速下行趋势，随着供给端如上海超 导、东部超导、FFJ、SuNAM 等主要玩家积极扩产，其价格有望进一步向下，带来 规模化应用临界点加速到来。

低温超导材料的代表性材料包括 NbTi、Nb3Sn 等：

NbTi（临界温度 9.5K）制造成本低、稳定性优，是低温超导合金中应用最广泛的材 料。其作为二元合金具有加工塑性好、强度高、制造成本低等优势，在 10T 以下磁 场要求下、液氦温区中应用最为广泛，在核磁共振成像仪/波谱仪等场景中广为应用， 在低温超导合金使用中占比超 90%。

Nb3Sn（临界温度 18K）属于脆性材料，制备成本更高，但临界磁场更高。通常应用于 粒子加速器；其为金属间化合物，属于脆性材料，因此加工难度及制备成本更高，其 相对优势在于临界磁场更高，在 4.2K 下达 20T，而 NbTi 在同样条件下仅为 12T。

REBCO 材料兼具材料成本低、载流性好、临界场强高等优势，是目前综合性能最高，应 用最广泛的高温超导材料。高温超导材料的代表性材料为一代带材 BSCCO 及二代带材 REBCO。其中一代带材 BSCCO 在研发、产业落地进程上更早，降本潜力相对较小主因 银在其材料构成中占有一定比例。而二代带材 REBCO（稀土钡铜氧化物）从材料构成上 主要由哈氏合金、不锈钢、铜等普通金属及薄膜涂层为主，仅包含少量银这一贵金属，材 料成本较低。REBCO 一般由基层、过渡层、超导层和保护层等多层结构组成。REBCO 具有较高的临界温度（液氮温区），较高的载流能力，较高的临界场强，较高的力学强度， 以及相对廉价的生产原料等优势，是目前综合性能最高，应用最广泛的高温超导材料，在 磁悬浮、量子计算等场景中已有应用。

高温超导材料主要应用于可控核聚变、科研等领域。根据上海超导招股说明书，其在可控 核聚变的应用占比达 38%，占比最高，科研应用占比约 29.1%，其余如电缆、超导磁控 单晶炉的应用占比相对较小。

3.2 真空室：为反应构建高真空环境及设施结构支撑

真空室是重要的环形容器，其内部创造出一个高真空环境，以维持等离子体的存在。等离 子体在这样的环境下不会与任何物质接触，从而减少热损失并保持其超高温状态。真空室 同时也承担着支撑整个设施结构的作用。真空室内部有基本的室内部件和可置换的部件， 包括孔栏、加热天线、包层模块、试验包层模块、偏滤器模块以及诊断模块等。材料端， 真空室主要材料为可耐受高能中子辐照的不锈钢、铁素体马氏体钢等。

3.3 偏滤器：位于真空室底部，清除反应杂质及废物，采用高性能材料以应对 等离子体冲击

偏滤器主要作用是从等离子体中清除杂质及氦灰等废物，其承受等离子体的强粒子流，材 料性能要求高。偏滤器位于真空室底部，是高温等离子体与材料直接接触的过渡区域，把 放电的外壳层内的带电粒子偏滤到一个单独的室内，在此带电粒子轰击挡板变为中性粒子 被抽走。偏滤器主要功能是从等离子体中清除杂质和废物，排出核聚变反应过程中所产生 的氦灰等产物。其中等离子体损耗功率热量的迅速排出是聚变反应堆成功运行的关键，而 面向等离子体部件是偏滤器区域中直接与等离子体相互作用的部件，承受来自等离子体的 强粒子流和高热流的冲击，对材料性能要求极为苛刻，以铜合金、钼合金、铌合金以及钨、 锂、铍和石墨等可承受高热流密度的材料为主。

3.4 包层：位于真空室内壁，核心构成包括第一壁、氚增殖区及屏蔽模块，职 能多样

包层系统位于真空室内壁，吸收来自等离子体和中性束注入的辐射和粒子热通量，为真空 室和外部容器组件屏蔽热屏蔽及高能中子，保护磁体系统等部件的正常运转。ITER 的包 层系统由约 600 平方米的 440 块包层模块（BM）组成，面向等离子体，覆盖在真空室 内壁上。包层模块（BM）的核心组成部分包括第一壁（FW）、氚增殖区（BZ）及屏蔽模 块（SM）三部分：

第一壁导出热负荷并抵御中子辐照：直接接触上亿摄氏度的高温等离子体，通过钨等 高熔点材料及梯度热沉结构吸收并导出来自等离子体的热负荷，并抵御中子辐照、应 对热冲击，保护外围器件免受损伤。第一壁包括面对等离子体铍瓦材料、热沉 CuCrZr合金材料和支撑背板 316LN（不锈钢材料）三部分构成。通常以铍作为主要涂层材 料，但其具有毒性和侵蚀性，而钨是潜在的可行选择。

氚增殖区承担着氚自持、能量导出的职能：利用聚变中子与氚增殖区中的氚增殖剂反 应来生成氚并将其补充至反应堆内。此外，其还承担将聚变产生的中子动能转化为热 能，再通过冷却剂导出至发电系统的职能。氚增殖剂可分为液态及固态两种类型，其 中固态增殖材料应用相对更为广泛。在世界上最大的核聚变实验装置 ITER 中，大部 分成员国在氚增殖实验包层模块（Test Blanket Module， TBM）中选择了固态包层 方案，其中氚增殖剂主要采用 Li4SiO4 和 Li2TiO3 两种。

屏蔽模块吸收中子并提供辐射屏蔽的职能：吸收聚变产生的高能中子，降低其辐射剂 量至安全水平，保护真空室及超导磁体；通过冷却通道等导出剩余热负荷。其由 316LN 不锈钢材料经锻造、焊接、钻孔等工艺处理后成型。

铍、碳基材料以及钨是目前最热门的 PFMs（面向等离子体材料）。第一壁选材包括石墨、 碳、铍等低原子序数材料及钼、钨等高原子序数材料，其中钨、钨基合金凭借高熔点、高 热导率、低溅射产额和高自溅射阈值、低蒸气压和低氚滞留性能等特点，可承受反应过程 中的热负荷、中子辐照及等离子体辐照，是应用前景广阔的潜力选择，如 ITER、EAST 等代表性项目已明确向“全钨”第一壁过渡的路线。针对钨存在的高原子序数杂质辐射以 及低温脆性、再结晶脆性和中子辐射脆化等挑战，解决方案是对钨进行合金化处理，添加 氧化物颗粒、碳化物颗粒等从而提升其断裂韧性、抗中子辐照等方面的性能。

3.5 真空杜瓦：托卡马克装置的外壳，承担保温、安全保障等职能

真空杜瓦又称低温恒温器，是围绕着整个托卡马克装置的外壳，为内部组件提供额外的保温效 果。真空杜瓦需要确保设施内部在适宜的温度下运行，同时也支撑整体结构。真空杜瓦从上到 下主要由顶盖、上环体、下环体和基座这四大部分组成，各部分通过焊接或螺栓连接成一个整 体。杜瓦除了为系统运行提供稳定的真空环境之外，还要在氦气泄漏以及等离子体破裂等极端 情况下，必须保证整个装置的安全。

四、全球政府、资本等主体加码核聚变产业，产业发展迎 来提速

4.1 国内：国家队主导，科研机构提供技术支撑，商业化公司在细分技术提供 补充

国家队主导科研推进，商业化公司负责项目落地，相关招标及建设进程密集启动。例如中 国核工业西南物理研究院，其商业化公司中国聚变能建造的 HL-3 装置（环流三号）是我 国目前设计参数最高、规模最大的常规磁体托卡马克装置，25 年 3 月首次实现 1.17 亿摄 氏度的原子核温度及 1.6 亿摄氏度的电子温度，取得显著突破。25 年 9 月中核集团中国 聚变公司首次公开亮相，高温超导 HL-4 装置有望于沪建设；中国科学院合肥等离子体物 理研究所建造的低温超导托卡马克装置 EAST 于 2025 年 1 月首次完成 1 亿摄氏度高质量 燃烧，取得突破进展，低温超导托卡马克装置 BEST 于 2025 年 10 月实现杜瓦底座交付、 落位安装于 BEST 装置主机大厅，磁体、真空室等核心部件也将陆续启动招标、安装，预 计 2027 年完工；绵阳九院的商业化公司先觉聚能，正在规划 Z 箍缩聚变－裂变混合堆， 预计 2035 年开始建设，一期规划 50 亿元项目预计 2027-2028 年投产，计划于 2035 年 起建设 100MW 级电功率 Z 箍缩聚变－裂变混合堆并于 2040 年发电演示。我国聚变工程 实验堆（CFEDR）作为国内聚变工程示范堆项目，或于 2030 年建成。 能量奇点、星环聚能等民营企业逐步涌现，各家公司运用独特的技术优势加高校科研合作， 取得专利创新与市场融资，在高温超导、紧凑型托卡马克等细分领域具有领先地位。能量 奇点进行高温超导技术路线，研发了大孔径高温超导 D 形磁体，推进洪荒-70 项目（累计 融资近 8 亿元），预计 2027 年实现等效氘氚聚变反应，2030 年后建成示范性聚变发电站。 新奥科技建造了中国首台球型托卡马克装置，其玄龙-50 于 2023 年升级为玄龙-50U，并于 24 年 1 月正式启动并实现等离子体放电，力图探索球形环氢硼聚变关键问题的解决方 案。星环聚能已建成 SUNIST-2，正在推进紧凑环 CTRFR-1 建设，目标建成国内首个商 用可控聚变堆。星能玄光已自主研发场反位形装置 Xeonova-1，未来将继续推进场反位 形装置的研发和优化。

4.2 国外：参与主体及技术路线多样化

美国核聚变公司以私营企业为主，欧洲强化跨国协作及统一战略引领，技术路线包括托卡 马克、激光惯性约束、仿星器等，多样化发展：

美国：CFS 正在建设以磁约束高温超导托卡马克为技术路线的 SPARC，投资数十亿 美元建造世界上第一座电网规模的商业发电厂，预计 2030 年投入运营。Helion 建造 的第六代聚变发生器 Trenta 已达到超 1 亿℃高温是全球首家，该项目预期在 2028 年实现 50MW 的聚变发电。TAE Technologies 和日本国家聚变科学研究所合作， 在大型螺旋装置（LHD）中首次实现磁约束等离子体下的氢—硼聚变实验。美国劳伦 斯利弗莫尔国家实验室 NIF，创造了 8.6 兆焦的核聚变能量新纪录，较 2022 年 3.15 兆焦的初始里程碑提升逾一倍。2025 年 9 月，美国总统特朗普与英国首相斯塔默分 别代表美、英签署《大西洋先进核能伙伴关系》，双方达成互认监督机制，将使核项 目的平均许可期限从三到四年缩短至两年，推动核电项目审批提速。

欧洲：英国 JET（欧洲联合环）于 2021 年创下 5.7 秒内输出 59 兆焦聚变能量的世 界纪录，其于 2024 年在 6 秒内实现 69MJ 聚变功率。德国 Wendelstein 7-X 是全球 最大、最复杂的仿星器装置，于 2015 年投入运行，并于 2025 年 7 月实现长达 43 秒的高性能等离子体维持时间的约束时间记录。法国 WEST 装置旨在解决 ITER 存在 的主动冷却、全钨偏滤器的运行技术问题，其在升级钨偏滤器加持下成功维持 6 分钟 高热负荷等离子体。意大利 DTT（托卡马克技术实验装置）于 2020 年开工建设，聚 焦解决聚变堆高热流排出难题。

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