2025年可控核聚变专题报告：新一代托卡马克的建成是实现聚变点火的关键突破

在人类追求清洁、无限能源的征程中，可控核聚变技术一直被视为"能源圣杯"。2025年，全球可控核聚变研究正迎来历史性转折点——新一代托卡马克装置的陆续建成将为实现聚变点火奠定坚实基础。本文深入分析全球可控核聚变技术发展现状，揭示ITER、CFETR等重大项目的最新进展，探讨商业聚变公司的创新路径，并展望这一革命性能源技术未来的商业化前景。从等离子体约束突破到高温超导磁体技术革新，从多国合作的大型项目到灵活创新的私营企业，人类距离实现可控核聚变的目标从未如此接近。究竟我们还需要跨越哪些技术门槛？何时才能真正见证聚变能源的商业化应用？本文将为您全面解析这一可能改变全球能源格局的前沿科技领域。

一、全球可控核聚变技术发展现状与挑战

1.1 历史回顾：从百花齐放到托卡马克主导

可控核聚变研究始于20世纪中叶，经历了从多元探索到技术路线集中的发展历程。20世纪60年代，各国科学家尝试了包括碰撞、撞击在内的多种技术路径，直到苏联科学家在托卡马克装置上取得突破性进展。1968年，苏联T-3托卡马克实现了电子温度1keV（约1100万摄氏度）、质子温度0.5keV以及n=10¹⁸ m⁻³s的显著成果，这一突破使托卡马克技术脱颖而出，逐渐成为全球聚变研究的主流方向。

表：托卡马克技术发展里程碑

20世纪80年代，全球聚变研究迎来乐观高峰期，美国TFTR、欧洲JET、日本JT-60和苏联T-15等大型托卡马克装置相继建成。当时科学家们普遍预期，在这一代装置上就能实现聚变点火。然而，80年代中后期，研究人员在这些装置上发现了等离子体中非线性微观不稳定性引发的湍流，导致反常输运现象，严重破坏了等离子体约束效果，使得聚变点火的目标变得遥不可及。

1.2 当前技术瓶颈与挑战

尽管经过半个多世纪的发展，可控核聚变仍面临多重技术挑战。等离子体约束是核心难题之一—要实现聚变反应，必须将高温等离子体（超过1亿摄氏度）稳定约束足够长的时间。目前最先进的托卡马克装置如EAST（中国）和JET（欧洲）已能实现电子温度超过5000万度的长脉冲运行，但距离持续能量净增益仍有差距。

材料科学是另一大挑战。聚变反应产生的高能中子会对反应堆第一壁材料造成严重辐照损伤，目前尚未找到能够长期耐受这种极端环境的理想材料。此外，氚自持技术也至关重要—氚作为聚变燃料在自然界中极为稀少，必须通过聚变反应本身产生的中子与锂反应来增殖，形成闭环燃料循环。

表：可控核聚变主要技术挑战

国际热核聚变实验堆（ITER）项目正是为系统解决这些挑战而设立的。作为人类历史上最大的托卡马克装置，ITER设计聚变功率达500兆瓦，目标实现Q值（输出能量与输入能量比）大于10。然而，ITER也面临着建设进度滞后、成本超支等问题，原计划2016年投入运行，现预计延至2026年，成本从最初50亿欧元飙升至超过200亿欧元。这种延误部分源于技术复杂性，部分源于35个参与国之间的协调难题。

二、新一代托卡马克装置：实现聚变点火的关键节点

2.1 国际大型项目进展：ITER与各国国家计划

ITER（国际热核聚变实验堆）作为全球最大的国际合作科学工程之一，代表了传统"大科学"路径的聚变研究。ITER装置总重达2.3万吨，高度近30米，采用低温超导磁体技术，设计磁场强度为12特斯拉。其核心目标是验证大规模聚变能的科学和技术可行性，为后续商业聚变堆铺平道路。ITER采用氘氚反应，预计将产生500兆瓦的聚变功率（热功率），是输入功率的10倍。

然而，ITER项目面临多重挑战。法国核安全局因辐射防护问题暂停了部分组装工作；磁体线圈和真空室等关键部件存在缺陷需要修复；多国合作导致的协调成本居高不下—35个参与国在技术标准、资金投入和管理流程上的差异显著拖慢了决策进程。这些问题使得ITER成为"大型科学工程管理复杂性"的典型案例。

中国聚变工程试验堆（CFETR）是ITER的"补充者"而非"竞争者"，旨在填补ITER与未来示范电站之间的技术空白。CFETR设计目标更为务实：第一阶段（2035年左右）实现200兆瓦聚变功率；第二阶段（2040年代）提升至1吉瓦；最终在2050年前建成示范电站。与ITER不同，CFETR更注重工程可行性和技术经济性，重点解决氚增殖、能量提取等ITER未充分涵盖的问题。

表：全球主要托卡马克项目比较

2.2 商业聚变公司的创新路径：小型化与快速迭代

与传统"大科学"路径形成鲜明对比的是，近年来涌现的一批商业聚变公司采取了截然不同的发展策略。这些公司普遍遵循"小装置、低成本、快速迭代"的原则，利用最新技术突破推动托卡马克小型化。截至2024年，全球聚变能产业已吸引73亿美元投资，其中美国在2021年单年投资就超过25亿美元，中国在2022年后也加速布局，年投资额保持在约10亿美元水平。

美国Commonwealth Fusion Systems（CFS）是商业聚变公司的典型代表。其SPARC项目采用创新的高温超导（REBCO）磁体技术，磁场强度可达20特斯拉，是ITER的1.67倍。这使得SPARC体积仅为ITER的2%，成本降至1.5亿人民币级别，建设周期大幅缩短。CFS计划2025年实现首次等离子体放电，2027年达到净能量增益（Q>2），展现了商业公司"快速迭代"的显著优势。

中国商业聚变公司也呈现出多元化技术路线竞争格局。能量奇点聚焦高温超导托卡马克，其"洪荒70"是全球首台全高温超导装置；星环聚能开发球形托卡马克，计划2027年建成中型实验装置；瀚海聚能则探索场反位形等替代路线。这些公司普遍计划在2030年代实现示范堆运行，标志着中国聚变技术从实验室走向工程化的重要尝试。

高温超导技术的突破从根本上改变了托卡马克的工程范式。传统低温超导磁体需在液氦温区（4.2K）运行，而稀土钡铜氧化物（REBCO）等高温超导材料可在液氮温区（77K）工作，制冷能耗降低90%以上。这不仅使装置更紧凑，还通过提高磁场强度（实验室已达45.5T）实现约束性能的指数级提升，为聚变装置小型化、低成本化开辟了新路径。

三、可控核聚变商业化前景与未来趋势

3.1 技术发展路线图与时间预测

关于"可控核聚变何时能够实现"这一问题，业界存在不同观点。乐观估计基于商业公司的进展，如CFS预测SPARC在2027年实现净能量增益，一些公司计划2030年代并网发电；而保守观点则认为ITER要到2035年后才能提供完整实验数据，商业示范堆可能需等到2050年前后。

核聚变工业协会（FIA）2024年调研显示，约70%的商业公司预计在2030至2040年间实现首次并网发电，其中60%将目标锁定在2035年前。值得注意的是，尽管ITER等大型项目多次延期，商业公司的时间表自2021年来保持稳定，反映了对技术路径的信心。

表：全球聚变项目成功概率评估（基于专家调查）

从历史数据看，聚变三重积（nTτ，衡量装置性能的核心指标）在20世纪60-90年代呈指数增长，平均每1.8年翻一番，速度甚至超越同期摩尔定律。然而，90年代后这一趋势放缓，说明基础物理瓶颈日益凸显。新一代装置如ITER、SPARC、CFETR能否重启指数增长，将决定聚变能源的实现时间表。

3.2 商业化面临的挑战与应对策略

即使科学可行性得到验证，可控核聚变走向商业化仍面临多重障碍。经济性是首要考量—目前每千瓦聚变电站建设成本估计是裂变电站的3-5倍，需通过规模化、标准化生产降低成本。供应链问题也不容忽视—高温超导带材、抗辐照材料等关键部件尚未形成成熟产业链。监管框架缺失是另一挑战—目前各国尚无针对聚变电站的专门法规，多套用核裂变标准，这显然不适用于本质不同的聚变技术。

为应对这些挑战，产业界正采取多项策略。技术路线上，模块化设计成为趋势—小型化装置更易迭代升级，降低单次实验成本。商业模式上，公私合作日益普遍—商业公司承担技术风险和创新，国家项目提供基础研究支持。市场准备方面，早期应用场景正在探索—如聚变能源在偏远地区、海洋平台的特殊价值可能加速商业化进程。

中国在聚变领域的战略布局尤为值得关注。"国家项目与商业公司并举"的双轨模式既保证了长期研究持续性，又激发了创新活力。中科院等离子体所和核工业西南物理研究院作为国家队主力，聚焦EAST、HL-2M等大型装置；同时，能量奇点、星环聚能等商业公司快速崛起，在高温超导、球形托卡马克等细分领域形成特色优势。这种"大科学+创业创新"的生态系统有望加速中国聚变能源发展。

图：中国托卡马克装置发展路线图 [此处应插入中国托卡马克装置发展主线的示意图]

展望未来，可控核聚变技术正处于从实验室走向商业化的关键转折期。新一代托卡马克装置的建成将为聚变点火提供决定性实验数据，而高温超导等技术创新正在重塑聚变能源的经济可行性。虽然具体时间表仍存在不确定性，但科学界和产业界的共识是：21世纪中叶，人类有望迎来聚变能源的曙光。这一革命性能源技术的实现，将从根本上解决全球能源安全和气候变化双重挑战，重塑世界能源格局。

常见问题(FAQs)

Q1：什么是托卡马克装置？它如何实现核聚变反应？

托卡马克是一种利用环形磁场约束高温等离子体的装置，目前全球主流的可控核聚变实现方案。其工作原理是通过强大的环形磁场将氘氚等离子体约束在真空室中，加热至上亿度高温，使原子核克服静电斥力发生聚变反应，释放能量。托卡马克的优势在于能够相对长时间地维持等离子体稳定，为持续聚变创造条件。

Q2：ITER项目为什么多次延期？目前进展如何？

ITER延期主要源于三方面原因：一是技术复杂性超出预期，如磁体线圈和真空室等关键部件出现缺陷需要修复；二是法国核安全局对辐射防护提出更高要求，暂停了部分组装工作；三是35个参与国协调困难，在技术标准、资金投入等方面存在分歧。最新进展显示，ITER主体建筑已完成，部分组件开始安装，预计2026年开始组装，2035年左右实现全功率运行。

Q3：商业聚变公司与国家项目在技术路线上有何不同？

国家项目(如ITER、CFETR)通常采用传统超导、大型托卡马克路线，注重科学可行性和系统验证；商业公司(如CFS、能量奇点)则偏好高温超导、紧凑型设计，强调快速迭代和成本控制。例如，CFS的SPARC装置利用高温超导磁体将体积缩小至ITER的2%，建设周期从数十年缩短至几年，体现了商业公司"失败快、学习快"的创新哲学。

Q4：中国在可控核聚变领域的地位如何？有哪些重要装置？

中国已成为全球聚变研究的重要力量，拥有两大研究主力：中科院等离子体物理研究所(EAST装置)和核工业西南物理研究院(HL-2M装置)。EAST是世界首个全超导非圆截面托卡马克，多次创造等离子体运行时长纪录；HL-2M则是中国设计参数最高、规模最大的装置。中国还积极推进CFETR工程，计划2035年建成，填补ITER与示范堆之间的技术空白。商业领域，能量奇点、星环聚能等公司也崭露头角。

Q5：可控核聚变实现后，对全球能源格局会产生什么影响？

聚变能源商业化将彻底改变全球能源格局：一是提供近乎无限的清洁能源，氘可从海水中提取，1升海水相当于300升汽油的能量；二是基本实现零碳排放，助力气候变化应对；三是提升能源安全，减少地缘政治冲突。据估计，到本世纪中叶，聚变能源有望满足全球基础电力需求的20-30%，与可再生能源形成互补体系。不过，聚变能源更可能逐步而非突然改变能源结构，初期将首先应用于电网基荷和特定工业场景。

相关深度报告

可控核聚变专题报告：新一代托卡马克的建成，是实现聚变点火的重要节点

报告介绍：本报告由东吴证券于2025年2月25日发布，共23页，本报告包含了关于可控核聚变的详细内容，欢迎下载PDF完整版。