人类未来能源的终极答案，可控核聚变全球竞赛加速

The author:(作者)蓝黑客
published in(发表于) 2025/5/26 23:29:24
人类未来能源的终极答案，可控核聚变全球竞赛加速

导读：2025年4月30日，国际热核聚变实验堆（ITER）组织官网宣布，经过数十年努力，由30多个国家参与建造的“人造太阳”已完成其“电磁心脏”——世界最大、最强的脉冲超导电磁体系统的全部组件建造。该成果被ITER称为“里程碑式的成就”，标志着人类向实现可控核聚变能源迈出关键一步。

中国：2025年1月，中国科学院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置EAST首次实现在1亿摄氏度下1066秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，创世界新纪录。3月，核工业西南物理研究院新一代人造太阳“中国环流三号”实现“双亿度”等离子体运行（等离子体离子温度 1 亿度、电子温度 1 亿度），标志着我国聚变装置具备了聚变燃烧相关的高参数运行能力。

美国：美国国家点火装置（NIF）在2025年继续推进核聚变点火实验，实现了 Q = 4 的聚变增益（输出能量是输入能量的四倍）。1月，美国普林斯顿等离子体物理实验室和西班牙塞维利亚大学合作研制的全球首台负三角度托卡马克装置SMART产生首束等离子体，标志新构形验证取得进展。

法国：2025年2月，法国WEST装置在5000万摄氏度的高温条件下成功将等离子体维持了1337秒，刷新稳定时间纪录。

核能是新能源的典型代表，也是最为理想的能源之一，它包括核聚变能和核裂变能。核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温、高压等），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。例如，在太阳内部，氢原子核（主要是氘和氚）在超高温高压环境下聚变成氦原子核，同时释放出大量的光和热。而核裂变能是通过重原子核（如铀-235、钚-239 等）分裂成两个或多个较轻原子核的过程中释放的能量，核电站目前主要是利用核裂变能来发电。

实现核聚变可控需要满足以下条件：一是极高的温度，如氘氚反应要求燃料温度上亿摄氏度，使燃料处于等离子体态并克服库仑排斥力实现核聚变反应；二是保证燃料超高的密度，以增加粒子碰撞频率，提高聚变反应概率；三是须将等离子体约束在有限空间内，并维持足够长的时间。只有当温度、密度、约束时间三者的乘积（聚变三重积）大于一定阈值时，聚变反应才能自持进行。以下是三种主要的实现核聚变可控的技术途径：

在原料资源方面，一是氘来源广泛，氘是核聚变的重要燃料之一，它主要存在于海水中，据测算，每升海水中含有0.03克氘，全球海水中蕴含的氘总量巨大，可达45万亿吨左右。如此丰富的氘资源，使得核聚变燃料的供应几乎不受限制，能够满足人类长期的能源需求。

二是氚可增殖：氚在自然界中虽不存在，但可通过中子与锂6反应产生。而锂在地壳和海水中储量丰富，这为氚的持续供应提供了保障。

在能量产出方面，一是能量密度高，核聚变反应中，单位质量的聚变燃料释放出的能量远超传统化学能源以及核裂变。例如，1克氘氚燃料聚变所获得的能量相当于燃烧8吨石油，产生的能量密度是核裂变的4倍，可为人类提供巨量的能源供应。

二是持续稳定供电：核聚变发电不像风能、太阳能等可再生能源那样受天气条件影响，也不像化石能源那样会因资源枯竭而面临供应中断风险，只要维持好反应条件，就能实现持续稳定的能量输出，可为电网提供可靠的基荷电力。

在安全性方面，一是不会失控，核聚变反应需要持续的外界能量输入（如加热和磁场约束）才能维持，一旦停止输入，反应会立即停止，不会像核裂变那样产生失控的链式反应，从而避免了核裂变反应堆可能出现的堆芯熔毁等严重事故风险。

二是无长期核废料，核聚变的生成物主要是氦气，这是一种无害、无污染的气体，不会产生像核裂变那样的长期放射性核废料，对环境和人类健康的潜在危害极小。

在环保方面，核聚变反应过程不会产生二氧化碳等温室气体，有助于减缓全球气候变化，实现碳达峰碳中和目标，对环境保护具有重要意义。除了不排放温室气体外，核聚变也不会产生污染环境的氮氧化物和硫氧化物等有害物质，对空气、水和土壤等环境要素的污染几乎为零，是理想的清洁低碳能源，经济潜力大。

在成本潜力方面，虽然目前可控核聚变技术仍处于研发阶段，但随着技术的不断成熟和产业化进程的推进，其发电成本有望显著下降。核聚变发电的能量输出巨大，且燃料成本相对较低，未来有望成为一种经济高效的能源供应方式。

另外，可控核聚变的研发和应用涉及到众多领域，如超导材料、高温等离子体物理、精密制造等，将带动相关产业的协同发展，创造大量的就业机会和经济增长点，对推动科技进步和经济发展具有重要意义。

可控核聚变产业链主要包括上游原材料供应、中游技术研发与设备制造、下游应用与运营等环节。上游原材料包括超导磁体材料、特种钢材、金属钨、钽等稀有金属、特种气体等，为核聚变装置提供了基础物质保障，其质量与性能对中游设备制造及核聚变技术发展至关重要，成本占比也较高。

中游是核聚变产业链的核心，涵盖了核聚变技术的研发以及各类设备的生产制造，需要极高的精度与可靠性，其技术发展和设备性能直接决定了核聚变装置的运行效果与安全性。

下游应用与运维，目前，核聚变技术主要用于科研领域，尚未实现商业化发电。未来，随着技术突破和装置建成，有望为全球提供清洁、可持续的能源。

据国际原子能机构预测，2030年全球可控核聚变市场规模有望达到4965亿美元，2050年或突破万亿美元。一旦核聚变发电技术实现商业化，将为人类提供几乎无限的清洁能源，有效缓解能源危机，减少对传统化石能源的依赖，降低温室气体排放，对全球能源结构和经济发展产生深远影响。

一是技术突破加速。等离子体控制精度提高，AI 技术深度融合核聚变研发，在等离子体控制、实验模拟和数据分析等方面发挥巨大作用。如 2024 年普林斯顿团队训练神经网络提前 300 毫秒预测核聚变中的等离子不稳定态；DeepMind 与瑞士洛桑联邦理工学院合作展示 AI 在所有放电实验阶段实现精确等离子体控制的潜力，原本预计 2030 年实现的控制稳定性验证有望提前至 2025 - 2026年，商用能量输出系统建成时间可能从 2045 年提前至 2035 年前。

关键材料研发进展，面向聚变堆中子辐照环境的低活化钢、功能性陶瓷等材料研发取得阶段性进展，部分性能匹配ITER等近堆芯环境，为下一步高参数实验堆建设和商业化应用奠定基础。

磁体系统革新，高温超导磁体技术发展迅速，有望替代传统的低温超导磁体，提高磁场强度和稳定性，同时降低成本，如BEST堆TF磁体已招标，PF磁体正在做，CS磁体未招标，高温超导的应用将提升聚变装置性能。

二是商业化进程加快，在实验堆建设与目标突破方面，前文已提及，国内的 EAST 装置 2025 年 1 月创下 1 亿摄氏度 1000 秒“高质量燃烧”世界纪录；新一代“中国环流三号”实现“双亿度”等离子体运行。国际上，美国 DIII-D 国家核聚变设施实现超过理论上限 20% 的等离子体密度，法国 WEST 装置在 5000 万摄氏度下维持等离子体稳定 1337 秒。

商业化时间表提前，据 FIA《2024 全球聚变行业报告》，54.2%的受访企业认为核聚变发电厂将在 2035 年前具备商业可行性，这一比例同比提升 8.13个百分点。随着技术进步，核聚变有望在 2040年前后实现成本接近风电平价。

企业参与度提高，全球私营聚变商业公司数量快速增加，截至 2024 年，全球可控核聚变行业的总投资额已超过70亿美元，至少45家企业参与。微软、谷歌等大型科技企业纷纷加入赛道。超 70% 核聚变公司预期 2035 年前实现并网发电。

三是政策支持力度增强，全球主要国家已将核聚变视为未来能源战略的核心，政策支持力度不断加大，如2024 年以来，中国明确提出要超前布局核聚变产业；美国通过《ADVANCE 法案》巩固其核能全球领导地位；德国宣布五年内追加 3.7 亿欧元用于核聚变建设；韩国政府则投入 1.2 万亿美元开发核聚变反应堆。

四是资本市场活跃度提升，随着核聚变技术的不断突破和商业化前景的显现，资本市场对核聚变领域的投资热情高涨，为核聚变研发和产业化提供了充足的资金支持。来觅数据显示，2024年至今，国内核电赛道已发生投融事件近20起，其中可控核聚变领域投融事件9起，融资金额合计超27亿人民币。

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