基于可控核聚变技术跟踪及商业应用的启示与建议

寇书萌 张瀚舟

上海市发展改革研究院

0 引言

2022 年4 月印发的国家《“十四五”能源领域科技创新规划》提出，以更安全、更高效、更经济为主要特征的新一代核能技术及其多元化应用，是全球核能科技创新主要方向。可控核聚变作为核能的开发方式之一，相比核裂变在安全、绿色、能量密度等方面更有优势，被誉为“理想的未来能源”。以美欧为代表的世界科技强国持续攻关可控核聚变技术，近两年，技术创新进入高度活跃期，各项突破性成果、先进模式集中涌现，民营科技公司也尝试涉足该领域。虽然核聚变从“不可控”到“可控”再到“商业化”还需要攻克大量难题，但这也恰好给了上海一个前瞻布局该领域的机会。研究认为，上海应把握可控核聚变技术发展窗口期，依托自身优势在相对成熟的环节形成关键点突破。

1 可控核聚变技术持续突破，行业关注度持续提高

1.1 可控核聚变是实现能源安全、绿色、经济供给的理想选择

可控核聚变是在特定条件下控制核聚变的速度和规模，实现安全、持续、平稳的能量输出的核聚变反应。根据控制等离子体的方式不同，有引力约束、惯性约束和磁约束等三种技术路线。其中，引力约束在地球上无法实现，惯性约束由于电-激光转化损耗极高暂不具备开发前景，相较之下，磁约束能量转化效率更高，是更具发展潜力、更成熟的路线，目前主流的磁约束装置是环流器，又称托卡马克（TOKAMAK）。

1）可控核聚变具有多重优势

（1）安全可靠

燃料供应有保障，核聚变消耗的氘大量存在于海洋中，粗略估算海水蕴含的氘可供人类使用百亿年。国际原子能机构表示，可控核聚变在运行中不会出现类似裂变型的事故或核熔毁的“失控”链式反应。

（2）环境友好

氘氚核聚变反应的产物是惰性氦，不产生高放射性、长寿命的核废物，也不会产生有毒有害气体或者温室气体。

（3）经济性明显

据测算，相比满足每年全球一次能源消耗需要98万t天然铀、1 451个三峡电站、200亿tce,聚变仅需消耗一个标准泳池的重水，考虑到重水价格每克不足千元，聚变电站每年的重水消耗量仅为克级水平，远少于裂变电站。

（4）能量密度高

1 t氘氚聚变反应释放的能量，相当于5.7 t裂变燃料或700 万t 原油燃烧释放的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为全部可进行核裂变元素释出能量的1 000万倍。

2）可控核聚变技术目前仍处于“从0 到1”的基础研究阶段

自20 世纪60 年代启动可控核聚变研究以来，包括我国在内的世界各科技强国持续进行技术攻关，理论模型层面已推演了三代，但目前尚未走出实验室进入到商业化发展阶段。国家科技部等九部门联合印发的《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030 年）》中提及了一系列低碳零碳负碳技术，将可控核聚变技术归为“前沿颠覆性低碳技术”范畴。

1.2 近两年新动向：国内外竞相涌现“里程碑”式科技成果

1）从全球看，美国引领着国际聚变能源的发展方向

（1）已绘制核聚变发电厂路线图

2021年，美国国家科学院、工程和医学院在《将核聚变引入美国电网》（Bringing Fusion to the US Grid）中提出2035 至2040 年间实现聚变发电入网的目标。

（2）核聚变点火取得阶段性成果

2022 年12 月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室在不考虑电能转化损耗情况下，首次实现了可控核聚变净能量增益，Q 值达到1.53，这让惯性约束核聚变的科学基础得到证实1即装置的能量输出大于输入。科学界运用“能量增益倍数”指标衡量聚变装置性能，简称Q值，理论上当Q值大于1时，聚变具有商业价值。

（3）先行探索商业化聚变发电

美国Commonwealth Fusion Systems（CFS）是深度挖掘聚变发电商业化潜力的全球先驱，率先提出了聚变装置小型化的技术路线，计划于2025年建成10 倍能量增益、体积仅为ITER 2%～3%的高温超导托卡马克装置（SPARC），在2030 年建成全球首个小型可控核聚变示范电站2国际热核聚变实验堆（ITER）是世界上最大的核聚变实验装置，体积接近北京天坛祈年殿，高30 m、直径30 m、重达2.3万t。

2）从我国看，核聚变相关领域发展势头迅猛，技术水平跻身国际第一方阵

（1）研究机构领衔磁约束聚变装置研发

我国是全球范围内少数几个能够独立开展可控核聚变技术研究和聚变装置组建的国家之一。中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所和中国核工业集团西南物理研究院先后建成了“合肥超环-7”（HT-7）、“东方超环”（EAST）、“中国环流器二号A”（HL-2A）等多台磁约束聚变装置。

（2）在先进运行模式上取得重要科研进展

今年1 月7 日，“东方超环（EAST）”的团队发现并证明了一种无需通过外部控制来确保长时间尺度上高性能等离子体稳态运行的全新高能量约束模式，对于未来聚变堆运行具有重要意义。

（3）国产装置发电时长攀登新高峰

2021 年末，EAST 装置的长脉冲高参数等离子体运行时长打破世界纪录，标志着我国核聚变研发距离点火迈进重要一步。

3）上海市具备推动核聚变技术向商用试点迈进的条件

（1）政策支持引导不断强化

2022 年相继出台加强前沿和颠覆性低碳技术创新的若干政策，为可控核聚变等新一代核能技术攻关提供了政策引导。

（2）依托“独角兽”企业，以实现商业化为目标的聚变能源示范项目与人才团队落沪

能量奇点能源科技公司是国内第一家致力于探索聚变能源商业化的民营企业，团队集聚了多位来自国内外顶级科研院所的技术专家，目前已在临港研发和建设全球首台基于全高温超导磁体的紧凑型托卡马克实验装置HH70，计划于2024 年内建成运行并点亮等离子体3类似于缩小版的SPARC，直径约3 m。到2027 年，该公司计划建成运行最高磁场强度达到20T TF 的HH200 装置，实现10倍能量增益。全球、全国、上海可控核聚变主要发展情况比较（见表1）。

2 核聚变“可控”和“商业化”依然道阻且长

科尔尼管理咨询在2023 年1 月发布的《未来五年的全球五大趋势》报告中指出，“核聚变技术需要几十年的时间才能取得规模性的商业运用，各类挑战将继续阻碍核能源在未来五年内作为替代性可再生能源的进程”。换而言之，虽然可控核聚变加速演进在全球范围内持续取得重要进展，但现阶段技术发展仍处于培育期，真正实现“可控”和“商业化”还需攻克技术、材料、工程等多重难题，短期内对保障能源安全和应对气候变化的贡献有限，未来也还存在诸多不确定性，具体可以从四个方面分析。

2.1 技术层面：难以创造极端苛刻的反应条件

相比核裂变的链式反应，实现核聚变可控需要满足一系列极其苛刻的外部条件，实现其中的每一个条件都是一项艰巨的任务，这些条件包括极高的燃烧温度、超强的燃烧压力以及连续约束时间等，只要有微小的变量偏差，反应就会立即中止。在温度方面，在地球上创造聚变需要施加大约1 亿℃高温才能将两个原子核变成等离子体，该温度相当于太阳核心温度的10倍，这对反应容器的耐受温度提出极限挑战。在持续运行时长方面，如今核裂变电站已经能够实现全年稳定运行，核聚变至少需要做到稳定运行240 h 才具备商业价值，而当前最高纪录是EAST 创造的1.2亿℃101 s。

2.2 材料层面：完全支撑聚变反应的关键材料研制仍壁垒高筑

一方面，超导材料因在特定温度条件下呈现出电阻等于零、排斥磁力线的特点，能够为反应提供更强磁场，进而缩小托卡马克装置体积，理论上是适应聚变环境的理想材料。2020年10月，美国麻省理工学院（MIT）相关研究团队在使用了新型高温超导材料后，其设计的SPARC 反应堆能够达到与ITER 同等级别的性能指标，而体积仅是后者的2%。但高温超导材料具有力学性能差、不易加工等特点，以其中综合性能相对较好的钇钡铜氧（YBCO）为例，本质上是一种陶瓷，在巨大电磁力之下表现得异常脆弱。另一方面，产氚包层是聚变堆实现氚自持和发电的堆芯核心部件之一，目前的优势氚增殖剂材料填充率有限及无法自由调控，严重影响包层结构和性能的稳定性。因此，从短期来看，完全适应和支撑核聚变反应的关键材料明显存在短板。

2.3 工程层面：距离实现具备商业价值的净能量增益仍然遥远

美国NIF 选择惯性约束路线首次实现可控核聚变Q值大于1引起社会各界的广泛关注，但是“净能量增益”掩盖了电光能转换效率极低的问题。仅从激光输入输出环节看，高能激光器向目标输入2.05 MJ能量，产生了3.15 MJ 的能量输出，净能量增益为1.53，但如果向前追溯产生激光消耗的能量，实际全流程Q 值不足0.02。并且，从科学层面可行到工程和商业层面可行，还存在着巨大鸿沟。中国科学技术大学有关专家判断，Q 值至少需达到10 以上才有商用意义，中核集团则认为至少要超过30。据国防科工局有关人士研判，Q 值至少达到4 至6 才能将聚变转化为稳定的电力输出，但即便是相对先进的磁约束路线的Q值最高纪录也仅为0.67。

3 相关建议

可控核聚变堪称“科技和能源双料皇冠上的明珠”，虽然尚处于较为早期的基础研究阶段，却已成为各国竞争追逐的热点，未来或将成为重构全球创新版图的转折点。上海正值“科创中心”功能升级阶段，建议采取面上布局、点上突破的方式，抢占制高点，引领可控核聚变技术发展。

3.1 前瞻布局，聚焦高温超导、先进物理、人工智能等关键点开展技术攻关和商业模式探索

可控核聚变是复杂的系统性工程，涉及高温超导材料、等离子体物理、深度学习和人工智能、系统控制等众多高新技术和产业，跨领域、跨行业、跨区域特征明显。高温超导、先进物理、人工智能是推动可控核聚变技术突破的关键驱动力和先行领域，也是上海逐渐积累起来具备潜在优势的领域。其中，高温超导材料既是可控核聚变实验中先行采购、大量消耗的材料，也是超导电缆、超导限流器、超导风机和超导储能装置的重要组成部分，具有广

阔和可落地的商业场景，已经进入产业化初期阶段，未来5 年复合年均增长率（CAGR）将达到115.7%，有望撬动百亿级市场空间4数据来源：Marketwatch。上海电缆研究所是国内二代高温超导开发与应用方面的领先单位，也是能量奇点等公司的材料供应商，研制的超导带材料具有抗辐照能力强、超薄基带、机械性能佳等优势。建议支持类似科研机构或科技企业率先探索由可控核聚变赋能的新生产和服务模式，提升超导材料等前沿新材料的创新策源能力和自主保障能力，为可控核聚变重大工程和能源领域需求提供有力支撑。

3.2 政府清障，在可控核聚变技术及相关产业引导规则框架建立上未雨绸缪

可控核聚变及其产业链上的前瞻技术将极大地改变人们对现行能源管理体系和运行模式的认知，需要构建与之相适应的规则和秩序体系。政府相关部门既要做好可控核聚变知识的宣传和普及工作，提升全社会普遍认知度和接受度，还要针对核能环境风险法律规制进程滞后、聚变能在标准、检测、认证等方面存在空白和管理缺位的问题，加强研究储备，探索适时出台相关法律法规和规则标准，为可控核聚变技术相关产业链发展创造适宜的政策环境。

3.3 市场运作，在关键窗口期做好“两个关注”

可控核聚变已进入技术发展的关键窗口期，建议上海市在可控核聚变等前沿技术的创新体系开发上，充分发挥市场的主导作用，各类市场主体需对技术动向保持高度敏锐力，做好“两个关注”。一是关注技术发展趋势及其内在的需求牵引，融合人工智能、新材料、新业态等找准产业升级转型的切入点。二是关注新兴投资模式的形成。传统的能源技术攻关和示范项目建设普遍以政府财力支持和国有企业具体承担为主，但在可控核聚变领域，国内外均出现了风险投资基金、主权财富基金、养老基金和大学捐赠基金等各类投资主体积极参与的景象，产业链多个环节上民间资本的投资总额已超过政府投资，成为聚变能源技术探索的关键推动力，应善加引导和利用。