中投网2026-09-20 09:08 来源：中投顾问产业研究大脑
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一、核聚变基本原理
核聚变是指两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核，并释放巨大能量的过程。这一过程遵循爱因斯坦质能方程 E=mc2——反应后总质量略有减少，减少的质量转化为能量。以当前技术最成熟、最可能率先实现商业化的氘氚聚变为例：
2H + 3H → ?He + n + 17.6 MeV
即一个氘核与一个氚核结合，生成一个氦核（α粒子）和一个中子，同时释放17.6兆电子伏特（MeV）的能量。这17.6MeV的分配方式对聚变自持至关重要：α粒子携带3.5MeV，因其带正电，会被磁场约束在等离子体中并通过碰撞将能量传递给背景等离子体，形成“α粒子自加热”——这是聚变反应实现自持燃烧的核心机制；中子携带14.1MeV，因不带电，会逃离磁场约束，被装置壁（包层）吸收转化为热能，用于发电和氚增殖。换成更直观的单位：1公斤氘氚混合燃料完全聚变，释放的能量相当于1.15万吨标准煤。
图表：氘氚聚变反应与能量分配示意图
数据来源：国际原子能机构（IAEA）《核聚变能源基础》，2024年修订版；ITER物理基础手册、中投产业研究院
二、核聚变实现条件
要让核聚变在地球上受控进行，必须同时满足三个极端条件：高温、高密度、长约束时间。英国物理学家约翰?劳森在1957年提出，这三个量的乘积（聚变三乘积 nTτE）必须超过一个阈值，聚变反应才能“自持”燃烧。对于氘氚聚变，该阈值在常用单位制下约为 3×1021 keV?s?m?3（注：不同文献中常采用的近似值有 3×1021 keV?s?m?3或 5×1021 m?3?s?keV 两种写法，两者物理意义等价，但数值因单位换算中的近似处理而略有差异）。
温度（T）：约需1-3亿摄氏度（10-30 keV），是太阳核心温度的近10倍。
密度（n）：足够高的等离子体密度，以提高原子核碰撞几率。
能量约束时间（τ_E）：等离子体能量流失的速度，要求保温性能极好。
图表：劳森判据关键参数与主流装置进展对照
数据来源：劳森判据阈值来自ITER官网科学基础页；EAST/HL-3数据来自中科院等离子体所（2025年）、中投产业研究院
能量增益因子Q是衡量聚变反应效率的核心指标。科学Q值 = 聚变释放能量 / 加热等离子体输入能量。当Q=1时达到“盈亏平衡”；Q>1时反应可自持。但商业化发电要求工程Q值（考虑系统全部能耗）达到30以上。
图表：Q值不同阶段的标志性事件
注：JT-60未实际使用氘氚燃料，其Q值基于氘氘实验数据外推得到氘氚等效值，并非真实氘氚运行结果。关于NIF的Q值：此处的Q值为科学Q值（聚变能输出/激光输入能），未计入驱动激光器的墙插效率，与磁约束聚变领域讨论的工程Q值含义不同。
数据来源：美国能源部（DOE）2025年《聚变能源战略》背景资料；ITER官网；日本原子能研究开发机构（JAEA）、中投产业研究院
三、可控核聚变技术路线
可控核聚变主要有三大路线：磁约束、惯性约束、引力约束。引力约束（如太阳）无法在地球上实现；惯性约束（如激光聚变）只能脉冲运行，难以连续发电；磁约束是目前投入最大、技术积累最深厚、工程进度最快的路线，其中托卡马克占全球聚变装置的46%，是最主流的装置类型。
图表：三大聚变约束方式对比
数据来源：中国工程院《核能技术方向研究及发展路线图》，2024年、中投产业研究院
磁约束的主要装置类型及代表实例：
托卡马克：环形真空室+环向场+等离子体电流，螺旋磁场约束。技术最成熟，全球在建及规划的大多数聚变装置均为此类。代表：ITER（国际）、EAST（中国，中科院）、BEST（中国，紧凑型）、CFS SPARC（美国）。
仿星器：外部扭曲线圈直接产生螺旋磁场，天生稳态运行但线圈制造极复杂。代表：德国W7-X（马克斯?普朗克研究所）、美国Type One Energy。
场反位形（FRC）：直线型，等离子体自组织成雪茄状，体积小、建造成本低，受部分初创企业青睐。代表：Helion Energy（美国）、TAE Technologies（美国）、中国的瀚海聚能和星能玄光。
球形托卡马克：中心孔极小的球形体，能量密度高，适用于紧凑型设计。代表：英国Tokamak Energy ST40、中国的星环聚能（SUNIST-2）。
图表：磁约束不同装置路线对比
数据来源：Fusion Industry Association 2025年报告；各公司技术白皮书；IAEA聚变装置数据库、中投产业研究院
四、可控核聚变核心优势
（一）燃料来源近乎无限
氘：海水中含量约30 mg/L，地球海洋蕴藏氘约40万亿吨。按人类当前能耗，可供使用数百亿年。
氚：半衰期12.4年，自然界几乎不存在，但可由中子轰击锂-6产生。全球锂资源（LCE）超1.15亿吨，锂-6自然丰度约7.5%，可支撑聚变堆运行数千年。
图表：不同能源单位能量所需燃料量对比（以100万千瓦电站运行一年计）
数据来源：世界核协会（WNA）2025年《核燃料报告》；中国工程院2024年《核能发展战略》、中投产业研究院
（二）能量密度极高
1公斤聚变燃料释放的能量 = 1.15万吨标煤 = 8000吨汽油。聚变比裂变能量密度高约4倍，比化学能源高数百万倍。
（三）固有安全性
聚变反应没有链式反应，一旦故障（如断电、磁场破坏），等离子体迅速冷却，反应自然停止。不存在堆芯熔毁、大规模放射性泄漏的风险。需区分的是：第一壁直接面对1亿℃等离子体，承受极高的热流和粒子轰击；穿透第一壁的高能中子则由包层负责屏蔽、产热和氚增殖。虽然中子会活化结构材料，但放射性废物半衰期远短于裂变乏燃料（百年 vs 数十万年）。
（四）环境友好
运行期间零CO?、零SO?、零NO?排放。
全生命周期碳排放与风电、水电相当。根据学术研究（如日本国家聚变科学研究所NIFS 2011年对DEMO聚变电站的生命周期评估，以及EUROfusion 2019年对DEMO的更新分析），聚变电站全生命周期碳排放约为 10-15 gCO?/kWh。
图表：各类电源全生命周期碳排放对比
数据来源：IPCC第六次评估报告（2022）；日本国家聚变科学研究所（NIFS），《聚变反应堆生命周期评估》，Fusion Engineering and Design, 2011；EUROfusion，《DEMO聚变电站环境特征》，2019、中投产业研究院
小结：可控核聚变以近乎无限的燃料、极高的能量密度、固有安全性和极低排放等优势，被认为是能源问题的“终极答案”。实现它需要同时满足上亿度高温、足够密度和长约束时间（劳森判据）。磁约束托卡马克是目前投入最大、技术积累最深厚、工程进度最快的路线，全球聚变产业已从纯科研迈入工程验证阶段。
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