未来能源革命的曙光：可控核聚变原理及实现方式

本篇文章的部分核心观点、图表及数据，出自西部证券于2024年7月1日发布的报告《国防军工行业深度研究报告：可控核聚变，“人造太阳”未来可期》，如需获得原文，请前往文末下载。

可控核聚变，被誉为“人造太阳”的能源技术，是人类未来能源的希望所在。它模拟太阳产生能量的方式，通过将轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程，为人类提供几乎无限的清洁能源。与传统的化石能源和核裂变能源相比，可控核聚变具有燃料储量丰富、环境友好、安全性高、能量密度大等多重优势，是实现碳中和目标、推动可持续发展的重要途径。

关键词：可控核聚变、磁约束、惯性约束、聚变裂变混合堆、能源革命、清洁能源

核聚变：未来能源的无限可能

核聚变是一种将轻原子核结合成一个较重原子核的过程，这一过程中会释放出巨大的能量。与核裂变不同，核聚变不会产生长期的放射性废物，其燃料来源丰富，且能量密度远高于化石燃料和传统核能。核聚变的核心优势在于其燃料的广泛可得性和环境的友好性。核聚变使用的燃料主要是氢的同位素，如氘和氚，这些元素在海水中储量丰富，理论上可以提供人类数千年的能源需求。此外，核聚变发电过程中几乎不产生温室气体和有害废物，其产生的放射性废物较少且半衰期较短，对环境的影响远小于核裂变反应堆。

目前，全球核聚变正处于快速发展阶段。根据相关数据显示，全球核聚变市场规模预计将在2024年达到约3312.6亿美元，并预计到2031年将达到4915.5亿美元，年复合增长率为5.8%。这一增长主要受到私人公司和政府对核聚变技术日益增加的投资推动。核聚变技术的发展不仅能够为人类提供清洁、高效的能源，还将成为推动能源结构转型和应对气候变化的关键技术。

磁约束：核聚变实现的主要途径

磁约束是实现可控核聚变的主要方式之一，其原理是利用强磁场来约束高温等离子体，使其在特定区域内达到足够的温度和压力以引发核聚变反应。磁约束核聚变装置的主要类型包括托卡马克和仿星器。托卡马克装置通过环形磁场和等离子体内部电流共同维持稳定性，而仿星器则利用复杂的三维磁场结构自然稳定等离子体。这些装置需要高强度的磁场和有效的加热方法来实现核聚变反应，并且需要精密的诊断技术来监测等离子体的状态。

中国在全球核聚变产业链中占据重要地位，尤其在国际热核聚变实验堆（ITER）项目的建设中扮演了关键角色。中国承担了ITER项目中12个子包的制造任务，总费用达到40亿元人民币。这些子包包括制造关键零部件和系统，这些部件对于ITER装置的成功建设和运行至关重要。中国的核聚变研究具有卓越的科研实力和技术先进性，研究方向覆盖核聚变各个领域，包括磁约束聚变、惯性约束聚变等多个研究方向，展示了中国在核聚变领域的全面布局和领先地位。

惯性约束：核聚变的另一种实现方式

惯性约束核聚变是另一种实现核聚变的方式，其原理是利用粒子的惯性来实现核聚变。通过多束激光或粒子束从各个方向同时照射一个微小的聚变燃料丸（通常是氘和氚的混合物），在瞬间注入大量能量，使其达到极高的温度和压力。这种极高的压力使燃料的密度在极短时间内达到极限，产生剧烈的压缩。由于粒子的惯性，它们会在极短时间内继续被压缩，为核聚变反应提供条件。

惯性约束核聚变的优点在于发生设备可以做到小型化，且开、关火控制性能也较好，适合未来用在飞行器等领域，但其缺点是需要激光点火，对能量要求较高。国际上，核聚变商业化应用公司多为私人投资，技术路径多样。根据FIA2023调查显示，全球2023年核聚变投资约为62亿美元，其中个人投资为59亿美元，占比高达95%。公司包括赫尔摩斯核聚变公司（Helion Energy）和托卡马克能源（Tokamak Energy）等，它们专注于开发脉冲聚变装置和紧凑型托卡马克装置，目标是实现高效能量输出。

聚变裂变混合堆：核聚变技术的前瞻性布局

聚变裂变混合堆是一种结合核聚变和核裂变两种反应机制的先进核反应堆，目前仍处于实验室状态。其设计目的是利用核聚变反应产生的高能中子来引发核裂变反应，从而提高能量产出效率和燃料利用率。混合堆的主要优势包括更高的能量效率、燃料增殖能力、减少放射性废物和更高的安全性。混合堆有望成为一种高效、安全、环保的未来能源解决方案。

中国在聚变裂变混合堆技术方面取得了显著进展。中国工程物理研究院提出的Z箍缩聚变裂变混合能源堆（Z-FFR），采用近期可获得的聚变技术和较成熟的裂变反应堆技术，具有较高的技术可行性。Z-FFR充分体现了聚变与裂变优势互补的特点，大幅提升了核能的安全性。在经济性方面，100万千瓦反应堆的建设成本预计为30亿美元。此外，Z-FFR在资源利用率和持久性上表现突出，铀和钍的利用率可达90%以上，可以为人类提供长期能源供应。环境方面，Z-FFR产生的核废料量少且易于处置，体现了其环境友好性。基于这些优势，Z-FFR成为了未来具有强大竞争力的能源解决方案。

总结

可控核聚变作为一种未来能源的无限可能，其原理是通过模拟太阳产生能量的方式，将轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量。磁约束和惯性约束是实现可控核聚变的主要方式，而聚变裂变混合堆则是一种结合了核聚变和核裂变两种反应机制的先进核反应堆。中国在全球核聚变产业链中占据重要地位，尤其在国际热核聚变实验堆（ITER）项目的建设中扮演了关键角色。随着技术的不断进步和市场的快速增长，可控核聚变有望成为推动能源结构转型和应对气候变化的关键技术，为人类社会带来清洁、高效、可持续的能源供应。