可控核聚变专题分析：商业化加速，能源发展有望迎来新突破

（报告出品：国信证券）

可控核聚变优势显著，能源发展有望迎来新突破

核聚变，即轻原子核结合成较重原子核，发生质量亏损并释放巨大能量的过程。核聚变发电技术作为一种清洁能源，具有能量密度高、功率大、原料来源广泛和安全性较裂变发电更高等优势，因此被广泛认为是能源问题的最终答案，得到世界各国的重点关注和持续研究。

氘-氚聚变实现难度相对最低，能量密度远超现有能源形式

能量密度远超现有能源形式，但能量转化效率或偏低。2 克的氘和3 克的氚可以产生约 1.68 万亿焦耳的能量，换算成电力单位即 46.7 万kWh，约等效于73吨5500大卡煤炭燃烧或 20 克铀 235 裂变产生的能量。不过，目前核能利用装置为了兼顾经济性和安全性，反应堆内的压力和温度一般较低，能量转化效率因此偏低。裂变堆核电机组的热效率一般仅有 30%左右，低于燃煤机组。

核聚变领域有两个重要的技术指标，一个是能量增益因子Q，指的是聚变反应中输出能量和输入能量之比，一般认为商业聚变堆至少需要Q 值达到10。由于核聚变的点火、维持强磁场和冷却磁线圈等过程都需要大量的能量输入，目前大部分实验的能量增益因子均小于 1，磁约束聚变的记录是欧洲联合环（JET）装置的0.67，此外日本的 JT-60U 的氘氘聚变实现了 1.25 的等效增益。美国国家点火装置（NIF）分别于 2022 年 12 月和 2023 年 8 月的两次点火实现了Q>1，即能量净输出，但由于惯性约束聚变与磁约束的能量平衡和系统运行方式不同，其公开的Q 值与传统定义有一定区别。另一个指标是用于判断点火的聚变三乘积，根据劳森判据，当等离子体温度、等离子体密度和约束时间这三个参数达到一定条件时，核聚变反应的能量产出率将大于能量损耗率，并且有足够能量使核聚变反应稳定持续，也就代表核聚变成功点火，一般将这三个参数的乘积作为判定聚变点火的指标。

原料来源相对广泛，安全性优于裂变堆

第一代聚变燃料包括氘和氚两种氢元素同位素，第二代聚变燃料还需要氦3。氘储量丰富，提取技术成熟。氘在地球上的丰度为0.016%，大多以重水形式存在，海水中氘的浓度大约为 30mg/L，地球海洋中的氘含量可能超过40 万亿吨。相关报价显示，每千克重水价格在数千到一万元以上。氚增殖技术有待进一步突破。氚在地球上含量较少，且半衰期仅12.4 年，因此聚变所使用的氚都是人工制备的。除裂变堆重水中可能含有少量氚外，主要通过热中子轰击锂 6，使其裂变成氚和氦 4 原子来获取。根据美国地质勘探局的数据，目前全球已探明的锂资源量 8900 万吨，锂资源储量2200 万吨，其中锂6的丰度约为 7.5%。但目前氚的增殖技术依然有待突破，现有唯一的商业来源19座加拿大 CANDU 反应堆，每座反应堆每年可生产 0.5kg 氚，价格可达3 万美元/克。而按30%效率计算，聚变堆每生产 1 亿 kWh 电力就需要消耗约2.1kg 氚。除此之外，氘氚聚变产生的中子会携带大量能量，需要通过氚增殖吸收这部分能量以维持聚变的能量平衡。因此，如何船的增殖技术仍是聚变商业化需要解决的关键问题之一。月球土壤氦 3 含量远超地球，或可超前开展第二代聚变技术研究。据相关探测结果，月球上的氦 3 储量或超过一百万吨，远超地球储量。2022 年9 月，我国科学家已首次成功获得嫦娥五号月壤中氦 3 含量及其最优提取参数。虽然第二代聚变的难度较大，但理论上仍有实现的可能性。在未来，或可通过提取月壤中的氦3为地球提供燃料，甚至直接为月球基地提供能源。

得益于极高的能量密度，氘氚聚变度电燃料成本相对较低。我们对氘氚聚变的燃料成本进行测算，假设重水价格为 10000 元/kg，电解产生氘气的用电成本忽略不计，则氘的单价约为 5 万元/kg。氚则完全由锂 6 转换。上海钢联2023 年8月11日数据显示，电池级碳酸锂报价 24.55 万元/吨，按照锂6 丰度为7.5%的相对比例估算锂 6 元素价格约为 1600 万元/吨。1 个锂 6 原子可以产生1 个氚原子，假设转换率 80%，由于氚增殖技术难度较大，假设氚的价格为理论计算的5倍，则氚的价格约为 20 万元/kg。假设聚变机组的发电效率约为30%。测算得氘氚聚变的燃料成本约为 0.0050 元/kWh。

氘氚聚变燃料成本随燃料单价的敏感性分析如上表所示，氚的单价在原始值的基础上提高 5 万元/kg，度电燃料成本较原始估值提升21.43%；氘的单价在原始值的基础上提高 1 万元/kg，度电燃料成本较原始估值提升2.86%。聚变安全性高，无熔毁风险。由于聚变对工作环境的要求非常苛刻和敏感，要求上亿度高温和极高的压强；且聚变堆内部只含有少量燃料，依赖燃料的连续输入。因此聚变是一种“自限过程”，不会发生类似裂变堆的堆芯熔毁的事故，当环境变化、燃料停止供应或无法控制反应时聚变会迅速停止。产物放射性相对可控，不产生放射性乏燃料。氘-氚聚变的产物包括氦和中子，其中，中子的速度较高，可以轰击装置壁面内衬的锂6（一种锂同位素）产生氚和氦并释放大量能量，生成的氚可以继续维持聚变反应。虽然中子具有放射传染性，氚也有一定的放射性危害，但相对可控，并不会像核裂变一样产生包含高寿命、强衰变放射性的乏燃料，因此一般认为核聚变是一种清洁能源。

约束方式主要分为磁约束和惯性约束，托卡马克装置成熟度最高

由于核聚变要求上亿度的高温，目前没有任何材料可以承载聚变反应，因此只能采用特殊的方法来约束和控制。目前主要有三种约束方式：磁约束、惯性约束和重力约束。磁约束是指用磁场约束等离子体的运动，从而实现核聚变的方式。在聚变的超高温环境下，所有燃料会电离并形成带电的等离子体，通过使用封闭磁场形成的“磁笼”或“磁陷阱”来约束等离子体，使其与容器的器壁隔开，并通过电磁加热等离子体。当等离子体被加热到一定程度时，电阻会快速下降，此时再通过注入高能中性粒子束等方式进一步加热等离子体至满足点火条件，从而发生聚变。磁约束的装置主要包括箍缩、磁镜、托卡马克和仿星器等，其中环形托卡马克被普遍认为是最有希望实现可控核聚变的装置，也是目前主流的研究方向。环形托卡马克被认为是最有可能实现可控核聚变的装置。

环形托卡马克装置（又称环流器），是一个环形真空室，环形中心是一个铁芯变压器，通过变压器初级线圈电流的变化产生磁场，从而在环形真空室内形成等离子体电流并加热等离子体。真空室外有不同方向的线圈，分别产生环向和纵向的磁场，真空室内形成的环形等离子体电流则会提供极向磁场，最终形成环形螺旋状磁场，将等离子体约束在真空室中心。等离子体电流强度是托卡马克装置重要参数。根据聚变三乘积，托卡马克要实现点火和稳定运行，等离子体电流必须超过一定水平，此外聚变堆的聚变功率还与等离子体电流的平方成正比，因此等离子体电流也是重要的托卡马克装置技术指标。一般认为托卡马克要实现稳定运行，等离子体电流必须超过1 兆安培。目前，我国东方超环（EAST）、环流器二号 M 装置（HL-2M）均已成功突破1 兆安培目标。

各种聚变路线中，环形托卡马克技术成熟度最高。目前，由多国合力建设的国际热核聚变实验堆（ITER）、我国 EAST、HL-2M 和中国核聚变工程试验堆（CFETR）等装置均采用环形托卡马克路线。其中，EAST 已实现1 兆安等离子体电流、1亿度等离子体温度和 1000 秒等离子体约束时间三大目标，并于2023 年4 月12日实现了 403 秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行。等离子体控制仍有待突破，依赖超导技术突破提高磁场性能。托卡马克发展的主要难点在于提高等离子体的参数和等离子体的控制，避免出现等离子体电流破裂等现象，需要持续的外加强磁场约束。常规磁线圈在产生磁场的同时也会产生电流热，需要持续冷却和间断运行以防过热，而超导线圈则不会产生电流热，因此可以极大提升等离子体的约束时间。

球形托卡马克（简称球马克）是一种规模更小，成本更低的托卡马克装置，也是可控核聚变领域民营企业的主流选择。相比于环形托卡马克，球马克的真空室具有球形拓扑结构而非环形。此外，球马克也没有环向场线圈，因此球马克设计了一种同轴螺旋注入的电流驱动方式来约束等离子体。然而，劳伦斯利弗莫尔国家实验室球马克物理实验（SSPX）的研究结果表明，这种同轴螺旋注入不能维持良好的能量约束，导致球马克的聚变三重积无法达到更高要求。因此，目前的球马克装置主要以研究基础物理现象为主。目前世界上已有多个球马克装置简称并展开相关研究。英国托卡马克能源公司的ST40 球马克加热温度达到 1 亿度；我国新奥集团“玄龙-50”于19 年在河北廊坊建成并实现第一次等离子体放电，建设周期仅 10 个月；清华大学设计、星环聚能和清华大学联合建设的球马克装置 SUNIST-2 于 2023 年7 月建成并开展首轮运行，获得了 100 千安培等离子体电流。SUNIST-2 设计参数为大半径0.53 米，小半径0.33 米，磁场强度 1.0 特斯拉，等离子体电流 0.5 兆安培。

仿星器稳定性更佳，有望小型化。仿星器与托卡马克的主要区别是仿星器内部不产生等离子体电流，极向磁场由外部线圈提供，通过设计复杂的三维磁场来实现闭合、扭曲的环状磁笼，从而实现对等离子体的磁约束。仿星器整体呈扭曲环状，截面不规则，环向场线圈形状和排列更复杂，等离子体被引导为极向运动而不形成环向电流，因此仿星器不存在等离子体电流“破裂”的风险，运行更加稳定，同时有望缩小反应堆的规模。仿星器仍存在新古典运输等问题，成熟程度不及托卡马克。仿星器对等离子体的约束性能相比托卡马克较差，因此仿星器的纵横比较大，同等条件下等离子体有效体积小于托卡马克。由于等离子体不形成环向电流，粒子之间的碰撞可能导致等离子体向外扩散和泄漏的“新古典运输”现象，仿星器需要通过磁场设计来减少新古典运输现象的影响，因此磁场三维设计更加困难，磁线圈形状和位置也更加复杂，制造和安装难度更高。目前世界上仿星器的实验装置较少，最具代表性的是德国文德尔施泰因 7-X（W7-X）仿星器。2023 年5 月，我国西南交通大学与日本国家核融合科学研究所共同设计和建造的准环对称仿星器在四川启动建设。

惯性约束是指利用粒子的惯性约束粒子的运动，从而实现核聚变的方式。惯性聚变中，氘氚燃料被制成靶丸，以高能激光或粒子束作为驱动源，脉冲式地作用于靶丸外壳表面，使其向外气化，形成高温高压的等离子体并产生向内的反冲压力，从而将靶丸内的氘氚燃料压缩至满足点火条件的高温高压状态。惯性约束聚变连续性仍有待解决，尚无法应用于能源领域。目前，美国国家点火装置（NIF）是最具代表性的惯性约束聚变装置，2023 年8 月6 日，美国能源部下属劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家第二次完成点火，能量增益因子Q达到1.53，产生了 3.15MJ 能量。事实上，该 Q 值的计算方式与传统定义有较大差异，若考虑整个过程，则能量增益因子低于 0.01。此外，惯性约束聚变的燃料以靶丸形式投放，而单个靶丸的聚变过程持续时间不到0.0001 秒，无法实现连续运行。

重力约束一般是指恒星核聚变的方式。恒星的巨大质量产生强大引力，约束核燃料并形成极端高温高压的环境，从而发生核聚变。目前以人类目前的理论研究和技术能力尚无法建立引力场来实现重力约束，且太阳内部的重力约束聚变功率极低，一定功率条件下，燃料聚变所需要的体积过于庞大。因此目前没有重力约束的实验装置。

世界各国持续推进，我国两大聚变试验堆取得多项成果

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