2025年可控核聚变专题报告：可控核聚变系列深度（一），未来能源的奇点

可控核聚变：未来重要的理想能源

1.1.核聚变：能量产出比核裂变更高

全球能源短缺与环境污染是人类面临的共同挑战，推动能源结构向低碳化转型已 经成为国际社会的普遍共识。核能作为一种安全、清洁、稳定且能量密度高的能源形 式，被视为未来理想的能源选择之一。 核能的释放主要有两种形式：核裂变与核聚变。目前核能应用主要基于裂变技 术，该技术已相当成熟，为多国提供了稳定的电力供应。然而，核裂变也面临两大挑 战：一是长效放射性废料处理难度大，二是铀矿资源有限。 核聚变与裂变相反，理论上能量产出更高。根据《核裂变与核聚变发电综述》， 1 克氘氚聚变燃料释放的能量相当于 11.2 吨标准煤，是 1 克铀-235 裂变所释放能量 （相当于 2.6 吨标准煤）的约 4 倍。这意味着聚变能源的效率极高，燃料需求量和物 理废物量也更少。 放射性危害远低于裂变，燃料来源也更为丰富。因此，核聚变被 视为下一代能源的重要方向，已成为全球研发焦点。

1.2.氘-氚反应：当下核聚变主流应用

1.2.1.氘储量丰富，氚生产条件严苛

氘-氘反应难度更高，其他反应仍处研究阶段。在各类核聚变反应中，氘-氘反应 燃料来源最为理想，但技术难度更高；氘-氦 3 反应受限于地球上氦 3 的极端稀缺， 短期内难以实现；质子-硼 11 反应反应虽燃料丰富且清洁，但所需反应条件极高，目 前仍处于基础研究阶段。

相比之下，氘-氚反应具有如下突出优势： 1）燃料获取相对可行：氘在自然界中分布较广，储量极其丰富。只需把普通水 中的重水富集、电解，即可获得氘气，相对技术简单且成本较低；氚在自然界中几乎 不存在，半衰期约 12.43 年。无法像氘一样直接从自然界中大量获取，但氘-氚反应 堆本身可以自力更生。而实现高效的“氚自持”正是当前聚变能源走向商业化的核心挑 战。 2）技术可行性最高：过去半个多世纪的聚变研究，绝大部分都集中在氘-氚反应 上。从托卡马克、仿星器的物理设计，到氚循环、中子屏蔽等工程技术，都是围绕氘 -氚反应建立的。国际热核实验堆（ITER）和中国的 CFETR 等下一代装置，其核心 目标就是验证氘-氚反应堆的工程可行性。 3）能量增益相对最高：氘-氚反应一次释放 17.6MeV 的能量，其中 80%的能量 由高能中子携带，可通过热能高效转化为电能，是实现能量净增益（Q>1）乃至商业 化发电（Q>10）最现实的途径。 因此，尽管氘-氚反应存在中子辐照与放射性废物等问题，但其凭借最低的点火 温度、燃料获取相对容易以及最成熟的研发基础，目前仍是唯一被理论和实验广泛 验证、并具备工程可行性的主流聚变路径。

1.2.2.核聚变的核心评判：劳逊判据

核聚变研究能否实现净能量增益的核心评判依据是劳逊判据。该判据指出等离 子体的密度 n、温度 T 和能量约束时间τₑ三者的乘积（即聚变三乘积 nTτₑ）必须 超过特定阈值（对于氘氚聚变，约为 3×10²¹ m⁻³·keV·s）。只有满足此条件，聚 变反应释放的功率才能超过等离子体因辐射和传导损失的能量，从而实现“点火”。

1.3.核聚变实现路径：磁约束和惯性约束为主流

实现可控聚变约束通常可根据粒子约束形式分为引力约束、惯性约束和磁约束 3 种类型 ：

1）引力约束：引力约束是自然界中（如太阳）实现持续聚变反应的机制，其依 靠巨大的万有引力将燃料约束在核心。然而，人类目前的技术手段完全无法在地球上 创造实现引力约束所需的条件，因此该途径并非可行的能源开发方向。这使得惯性约 束与磁约束成为实验室研究的重点。 2）惯性约束：惯性约束核聚变是另一条主要的聚变技术路径。其原理是利用多 束极高精度的激光或粒子束，瞬间向微型燃料靶丸注入巨大能量，产生极高的温度和 压力，使燃料在自身惯性作用下被压缩至极高密度并引发聚变。典型的装置如美国的 国家点火装置（NIF），其 2022 年的实验实现了聚变能量大于激光输出能量的里程碑 （能量增益 1.53 倍），但总过程仍消耗了巨大的电能（322 MJ），凸显了该路径对巨 大能量输入和极端精密控制技术的依赖。其约束时间极短（纳秒量级），等离子体温 度和密度极高的特点。我国在该领域也建有“神光”系列等世界先进的高功率激光装 置。” 3）磁约束：磁约束被普遍认为是目前最有希望实现大规模受控核聚变能的途径。 与其他方式相比，引力约束无法在地球实现，惯性约束难以持续输出功率，因此磁约 束是实现聚变能开发的有效途径。其物理基础是利用磁场产生的洛伦兹力，使带电粒 子沿磁力线回旋运动，从而被有效约束。经过数十年的发展，以托卡马克为代表的磁 约束途径已成为研究最广泛、技术积累最深厚的方向，被国际学界视为最有可能率先 实现聚变能源和平利用与商业发电的路线。

2.新增电力需求旺盛，可控核聚变有望成为最佳方案

2.1.数据中心：成为新的电力消耗主力

全球 AI 与数据中心用电正以远超其他行业的速度扩张。IEA 在 2025 年 《Energy and AI》中测算，当前全球数据中心用电量约为 415 TWh，占全球用电的 1.5%，但过去 5 年保持约 12%的年增速；到 2030 年，在基准情形下将翻倍至约 945 TWh，占比升至接近 3%，年增速约 15%，是其他用电部门的 4 倍以上。IEA 同 时指出，美国和中国将贡献到 2030 年前后约 80%的数据中心用电增量。

科技巨头与电力和能源企业签署中长期清洁电力合约，以应对快速增长的算力 用电需求。近年来，全球大型科技企业不再仅作为传统电力消费者，而是通过中长 期电力采购协议（PPA）直接对接发电企业，以锁定稳定的清洁电力资源支撑云计算 和人工智能基础设施。Google、Microsoft、Amazon、Meta 等科技巨头已在北美和 欧洲与能源企业签署多笔涵盖风电、光伏、水电及核电的长期合约，将数据中心扩张 与新增零碳电源紧密捆绑。根据可控核聚变官网，Commonwealth Fusion Systems （CFS）与 Google 达成协议，将在 2030 年代初从首座商业聚变电厂 ARC 向谷歌供 应 200MW 电力；根据界面新闻，Helion Energy 计划在建造世界首座核聚变发电 厂，预计在 2028 年开始为 Microsoft 供电。在中国，腾讯、阿里巴巴等企业则通过 大规模绿电中长期合同及“嵌套式”长期购电协议锁定风电、光伏发电量覆盖数据中 心用电。科技公司正以长期合约为纽带深度参与电力市场与清洁能源投资布局，以应 对持续攀升的算力负荷与减排压力。

2.2.传统供给受限，可控核聚变有望成为最优方案

传统电力供应受限。化石能源储量有限，铀能又受国内资源不足和高对外依存 度制约，难以作为长期单一支撑。在当前消费水平下，石油、天然气和煤炭等传统化 石能源的可采储量分别仅能支撑数十年至百年左右，整体供给安全具有明确的时间边 界，难以长期承担经济与用电需求持续增长的压力。相比之下，铀基核电在单位能量 密度和发电稳定性方面具有明显优势，但根据中科院研究，我国铀矿禀赋并不优越， 储量总体不高、品位偏低、矿体分散且埋藏条件差，近年来虽在新疆伊犁、内蒙古东 胜等盆地取得找矿进展，新增资源仍难以匹配核电装机扩张的速度，铀资源对外依存 度已由约 51% 升至约 80%，总体上仍存在较突出的上游资源约束。

核聚变能源本身还具备高能、环保、安全三大优势： 1）高能：ITER 官网明确指出，受控条件下的聚变反应单位质量释放的能量约 为化学反应（煤、油、气燃烧）的近四百万倍、约为核裂变的 4 倍。 2）环保：聚变反应过程中不排放二氧化碳或其他温室气体，主要副产物为惰性、 无毒的氦气；装置结构中被中子活化的材料预计在百年左右即可回收或再利用，不会 形成类似裂变堆那样的大量、高活度、长寿命放射性废物，减少了末端处置的制度和 成本压力。 3）安全：聚变装置不存在连续链式反应、燃料在堆内一次只保有“几秒钟量级” 的特性，这为其在高负荷、城市化、数据中心密集地区的部署提供了安全性背书。 这使得核聚变天然符合“高能量密度+零碳/低碳+安全性可控”的下一代电力供 给方向。

3.未来 5 年核聚变资本开支超 920 亿元，本土企业受益

3.1.中游设备制造占比超 50%，产业链需求拉动大

1）上游原材料：主要围绕第一壁和偏滤器所需的高纯钨、铜及其合金化产品， 高温/低温超导磁体用 Nb3Sn、REBCO 等超导材料，以及重水、锂同位素（Li₆）等 燃料与增殖介质展开。 2）中游设备制造：是当前产业链的技术与价值核心，既包含托卡马克主机本体 的关键部件，例如反应器第一壁、偏滤器、高温超导磁体等，也包含支撑其长期稳定 运行的一整套工程系统，例如加热、冷却、燃料循环、控制系统等。 3）下游应用：目前仍以试验科研和示范工程为主，尚未进入商业化发电阶段， 其功能更多体现在“验证路线、固化标准、带动前两端配套”上。

3.2.国内未来 5 年核聚变资本开支超 920 亿元

从资本开支的角度看，国内可控核聚变正呈现出“国家级大科学装置拉动+地方 /民营资本分层跟进”的格局。以中科院等离子体所和中核体系的装置单体投资额已 经站上百亿量级：合肥东方超环（EAST）累计投资达 128 亿元；紧凑型聚变能实现 装置（BEST）在建投资约 85 亿元；上海方向的“环流四号”规划注册资本 150 亿 元；而被视作我国聚变发展里程碑的 CFETR，业界估算其工程投入将在 1000 亿元 左右，明显高于现阶段其他装置，体现出其“连接 ITER 与未来聚变示范堆 （DEMO）的关键工程试验堆”的战略定位。与此并行的还有 CRAFT 等关键系统综 合研究设施，以及星火一号、EXL-50U/和龙 2、洪荒 70/170、CTRFR-1、KMAX-U 等项目，构成了“多装置、不同物理/工程侧重、总体资金池共享”的饱和式研发态 势。根据我们测算，2026–2030 年我国可控核聚变领域仍将维持 920 亿元级资本开 支，有望持续带动高温超导、真空与低温工程、功率电子及精密制造等上下游产业链 形成较强的投资机会与放大效应。

编辑：火腿肠