可控核聚变，因其燃料近乎无限、能量密度极高、清洁安全等特性，被誉为解决人类未来能源需求的“终极能源”。长期以来，可控核聚变商业化进程被视为遥不可及。然而，近年来，随着高温超导材料、人工智能等颠覆性技术的突破，叠加全球能源转型与大国战略竞争的强力驱动，可控核聚变正从长达数十年的基础科学研究阶段，快速迈向工程验证与商业化探索的关键转折点。
什么是可控核聚变 核聚变是恒星维持其能量产生的主要机制。可控核聚变旨在以受控方式利用轻原子核聚合释放的巨大能量，其原理与太阳内部的核聚变反应相似。目前主流技术路径是将氢的同位素氘（²H）和氚（3H），在地面装置中创造的上亿摄氏度高温及特定约束环境下，结合成氦原子核（⁴He），同时释放出一个不带电的高速中子以及大量的能量。这一过程的能量释放源于反应过程中的部分质量亏损，其转化遵循爱因斯坦质能方程 E=mc²。
图1 核聚变反应原理示意图
资料来源：李建刚《可控核聚变研究现状及未来展望》。
图2 聚变主循环原理示意图
资料来源：王志斌等《我国磁约束核聚变能源的发展路径、国际合作与未来展望》。
现有核电站采用的是核裂变技术，在较重原子核分裂为较轻原子核过程中获得能量，核聚变与其原理相反。
图3 核裂变过程原理示意图
资料来源：国家核安全局。
可控核聚变被誉为“终极能源”方案，主要源于其多重核心优势： 能量密度高：单位质量燃料所释放的能量约为铀-235核裂变反应的4倍，更是化学燃烧的百万倍以上。1吨氘氚聚变反应释放的能量，相当于700万吨原油燃烧释放的能量。 原料充足近乎无限：氘可广泛从海水中提取，每升海水中含有约30毫克氘，而每30毫克氘通过聚变反应释放的能量相当于300至340升汽油燃烧所产生的能量。全球海水中的氘总储量估计超过40万亿吨，按照目前的全球能源消耗水平，仅海水中提取的氘所能提供的聚变能量足以满足人类数百亿年的能源需求，从根本上解决了资源约束问题。氚的供应则通过人工增殖技术实现闭环循环。氚在自然界中丰度极低（全球自然存量仅约3.5-25公斤），但可通过聚变产生的中子轰击锂-6同位素来持续生产。地球上锂资源丰富，陆地已探明储量约2200万吨，海水中锂含量更高达2000亿吨。现有锂资源足以支撑聚变电站运行数千至上万年，若结合未来海水提锂技术，燃料可持续性将进一步提升至数百万年量级。 环境友好：核裂变电站存在棘手的废物处置问题，氘氚核聚变过程中主要产生惰性氦，不产生高放射性、长寿命的核废物，也不会产生任何有毒气体、温室气体。 安全可靠：核聚变反应需要苛刻条件，任何细微条件缺失，都会导致聚变反应停止。 可控核聚变实现条件 实现可控核聚变并最终获取净能量，其科学可行性取决于是否满足劳逊判据（Lawson criterion）。该判据指出，等离子体的温度、密度与能量约束时间三者的乘积必须超过一个特定阈值，对于氘-氚反应，约为 3-5×1021 keV·s·m3。具体而言，这意味着需要将燃料加热至上亿摄氏度的高温，以赋予原子核足够动能克服库仑斥力；同时将等离子体密度提升至约1020粒子/立方米量级，以增加核碰撞频率；并利用约束装置将这种高温高密状态维持数秒以上，确保聚变释放的能量大于损失。唯有当这三个核心参数的乘积达标，才能实现从“能量盈亏平衡”到“净能量增益”的跨越，为后续的“自持燃烧”奠定物理基础。简单理解，创造高温高密度环境，对产生的超高温等离子体进行有效约束是实现可控核聚变的关键。 在实践中，满足劳逊判据极具挑战。当前主流技术路径（如托卡马克）通过强磁场构建“磁容器”，实现对带电等离子体的长时间约束，使其与实体器壁隔离。同时，为创造并维持所需的极高等离子体密度，聚变装置真空室必须达到极高的真空度，其本底气体密度需低至 1015-1016 粒子/立方米量级，仅为常温常压下空气密度的数万分之一。这一极端真空环境能最大限度地减少杂质粒子干扰，是维持等离子体纯净度与稳定性的关键工程前提。因此，攻克高温产生、磁约束稳态控制与极端真空维持等技术，构成了在地球上建造“人造太阳”必须跨越的核心物理与工程门槛。
图4 实现可控核聚变反应的三要素
资料来源：王腾《超导磁体技术与磁约束核聚变》。
劳森判据是实现净能量增益的必要物理条件，而衡量聚变装置能量效率的核心指标是能量增益因子Q值。Q定义为聚变反应释放的总热功率（Pout）与外部输入维持反应所需的加热功率（Pin）之比，即Q=Pout/Pin 。当Q>1时，聚变反应在物理上实现净能量输出，但商业化还需考虑热-电转换效率（通常约30%～40%）、系统能耗和运行维护成本等因素，普遍认为实现经济可行的聚变电站需 Q ≳ 10 ，甚至更高（如 Q = 20 ∼ 30）。目前实验装置的Q值大多低于1，仅个别实验短暂超过1（未计入全系统能耗）。理想情况下，若达到“点火”状态（Q→∞），反应可依靠自身α粒子加热维持，但仍需配套高效工程系统才能实现真正商业化。需注意，Q值反映能量收支，与“可控性”无直接关联。 当前，全球可控核聚变研发已从验证科学可行性，进入攻克实现稳定“可控”燃烧及提升能量净增益Q值的工程化阶段，产业化进程正在加速。 核聚变技术路线 实现可控核聚变的核心在于对高温等离子体进行有效约束，主要技术路线可分为引力约束、惯性约束和磁约束三种类型。其中，引力约束仅存在于恒星环境中，而惯性约束与磁约束则成为当前实验室研究与工程探索的重点。这些路线在物理原理、工程可行性及商业化前景上各有特点，共同推动着聚变能源从科学验证向实际应用迈进。 引力约束，自然机制但难以在地球复制 引力约束是恒星内部持续发生聚变反应的天然方式，依靠巨大的万有引力将聚变燃料束缚在核心区域。然而，在地球环境下，人类目前尚无法创造出与之相当的引力条件，因此该途径并不具备现实可行性。这也使得科学研究与工程开发主要集中在惯性约束和磁约束两条路径上，致力于在实验室中模拟并实现可控的聚变过程。 惯性约束，高能驱动下的瞬时聚变 惯性约束聚变通过多束极高精度的激光或粒子束，在极短时间内向微型燃料靶丸注入巨大能量，使其表面迅速消融并产生向内的反冲压力，从而将靶丸压缩至极高密度和温度，利用粒子惯性在短暂时间内完成聚变反应。
图5 惯性约束核聚变原理示意图
资料来源：王志斌等《我国磁约束核聚变能源的发展路径、国际合作与未来展望》。
美国国家点火装置（NIF）是惯性约束路线代表性设施，其2022年实验首次实现了聚变输出能量超过激光输入能量，能量增益约1.53倍，但整个系统仍依赖庞大的外部能源输入，且反应持续时间极短（纳秒量级）。中国也拥有“神光”系列等高功率激光装置。该技术路线的优势在于小型化潜力大、开关火控制性能较好，单次点火无需维持等离子体，但能量利用效率相对低、约束时间短、靶丸制备难度及成本较高，当前重复频率低，距离连续发电与规模化应用尚有较远距离。 磁约束，最具工程化前景的主流路径 磁约束是目前最接近实现持续可控聚变能的途径。磁约束原理是利用强磁场产生的洛伦兹力，使带电粒子沿磁力线回旋运动，从而将高温等离子体约束在特定空间区域内，延长能量维持时间。其优势体现在稳态运行、燃料灵活性、放射性物质少等，但工程复杂性相对较高，材料性能及经济性尚有提升空间。总体而言，磁约束路线积累了数十年的实验与理论成果，被国际学界视为最有可能率先实现聚变发电商业化应用的路径。 磁约束聚变主流技术方案包括磁镜、仿星器、托卡马克和场反位形，其中托卡马克是技术最成熟、研究最广泛的方向，而FRC装置有望率先开始商业化供电。 1、磁镜 磁镜结构简单，但约束时间较短。磁镜是一种直线型磁约束核聚变装置，其磁场构型特点是两端磁场强度高于中间区域，利用“磁镜效应”机制，即带电粒子沿磁力线运动时，在强磁场端因磁矩近似守恒，平行速度减小至零而被反射，从而在两端之间来回振荡，实现对等离子体的部分约束。磁镜装置的优点在于结构相对简单、无环形几何复杂性，且易于加热和诊断，有利于实现高温等离子体。缺点是粒子和能量损失较大，等离子体约束时间较短，难以满足聚变点火所需的劳森判据。因此，传统磁镜方案在主流聚变路线中已被托卡马克和仿星器等环形装置所超越，但其物理原理仍在某些先进概念（如轴对称磁镜、串列镜、或作为中子源）中具有研究价值。
图6 磁镜效应示意图
资料来源：张家龙《磁约束可控核聚变装置的磁体系统综述》。
2、仿星器 仿星器约束时间更长、稳定性好，但线圈结构复杂、装置建造成本高。仿星器（Stellarator）由美国物理学家Spitzer于1950年代提出，名称寓意“模拟星体聚变条件”。其技术核心是通过三维扭曲的外部线圈系统，在闭合环状真空室中构建螺旋形磁力线，形成天然的等离子体约束通道。这种设计无需驱动等离子体电流，从根本上避免了托卡马克的大破裂风险，可实现真正的稳态运行，且对材料辐照损伤要求较低。优势在于等离子体约束时间更长、稳定性极佳，适合作为未来聚变电站的候选路线。然而，其线圈构型极为复杂，制造精度需达毫米级，导致装置造价高昂、工程难度大。目前全球仅德国Wendelstein7-X和日本LHD等少数装置建成运行，验证了物理可行性，但因成本与复杂度制约，尚未成为主流研发路线。
图7 仿星器装置结构示意图
资料来源：中国核技术网。
3、托卡马克 托卡马克（Tokamak）名称由俄语单词“环形、真空室、磁、线圈”的词头组成，由苏联科学家于20世纪50年代提出。其核心技术原理是利用外部线圈产生的环向磁场，与等离子体自身电流产生的极向磁场相互叠加，形成一个可约束上亿摄氏度高温等离子体的“螺旋形磁笼”。装置结构呈现“甜甜圈”状的环形，核心组件包括环形真空室、环向场线圈（TF）、极向场线圈（PF）及中心螺管（CS）等磁体系统。
图8 托卡马克装置概念图
资料来源：张家龙《磁约束可控核聚变装置的磁体系统综述》。
托卡马克是目前全球范围内投资额最大、技术发展最为成熟的路线，已处于工程可行性阶段。凭借高效的约束能力和相对可控的稳定性，托卡马克在全球核聚变研究中占据主导地位（约占90%），在实现高温等离子体和长脉冲运行方面已积累大量成功实验经验。国际合作及国家级项目多采用托卡马克，较多民营企业正在向高温超导托卡马克装置方向发展。其缺点是装置结构极其复杂、工程与建造成本高昂；等离子体的稳定性控制极具挑战，存在灾难性“电流破裂”的风险；并且依赖于大功率、高精度的持续外部加热和电流驱动，对超导磁体等关键部件的性能与可靠性要求极高。 托卡马克主要包括两种构型：一是常规环形托卡马克，环径比较大，物理机理清晰，如国际热核聚变实验堆（ITER）及中国的全超导托卡马克EAST，后者由中科院等离子所研发，已在稳态高约束模运行方面取得突破，2025年1月首次实现1亿摄氏度千秒运行，创世界纪录；二是球形托卡马克，设计更为紧凑，环径比接近1，具有更高的磁场利用效率和聚变功率密度潜力，如中国的SUNIST-2装置，但也面临中心柱空间狭小等工程挑战。
图9 全超导托卡马克核聚变实验装置EAST
资料来源：澎湃新闻。
4、场反位形 场反位形（FRC）是一种基于磁约束或磁惯性约束的可控核聚变技术路线，其概念最早于1956年被提出，并在上世纪后期相关实验中得到初步验证。核心原理是利用外部极向磁场与等离子体自身感应电流产生的反向磁场相互作用，形成一个内部具有闭合磁力线、外部为开放磁力线的自封闭“磁泡”结构。装置通常呈直线型对称设计，主要由两端的形成区与中间的融合压缩区构成，结构上显著区别于传统的环形托卡马克，其最大特征在于仅需极向磁场而无需复杂的环向磁场线圈。
图10 场反位形电流、磁场结构示意图
资料来源：彭越等《HFRC场反等离子体形成过程数值模拟与实验研究》。
场反位形路线的突出优势在于：一是等离子体比压（β）值高，在同等磁场强度下可约束更高密度的等离子体，经济性优越；二是结构简洁紧凑，大幅降低了建造难度与成本；三是部分方案（如Helion）采用直接能量转换技术，理论发电效率可达95%以上，并可使用氘-氦3等清洁燃料。然而，其核心挑战在于等离子体寿命相对较短、约束稳定性控制难度大，且目前实验参数（如密度、约束时间）距离实现净能量增益的劳逊判据尚有显著差距。 国际上，美国Helion Energy（采用脉冲磁压缩路径）和TAE Technologies（采用稳态中性束注入路径）是代表性商业机构，其装置已迭代至第七代“Polaris”和“Norm/Copernicus”。在国内，华中科技大学的HFRC、中国科学技术大学的KMAX为主要的实验装置，而瀚海聚能（HHMAX-901）、星能玄光（Xeonova-1）及诺瓦聚变等公司正致力于推动该路线的商业化进程。 可控核聚变当前主要技术路线情况如下表所示。
表 1 可控核聚变各技术路线比较
资料来源：各公司官网，国际原子能机构，深企投产业研究院整理。
产业发展进程 全球可控核聚变发展历经数十年基础研究，目前从科学探索迈入工程验证与产业化探索的新阶段。其科学基础奠定于上世纪上半叶，1919至1933年间，轻核聚变能量来源、库仑势垒穿透及氘氚反应可能性相继被提出与论证。1938年后，“氘氚循环”反应模式的提出与首次实验实现，证明了聚变反应的可达性。20世纪下半叶，托卡马克技术的成熟与ITER计划的启动，将聚变推入国际协同时代；90年代JET和TFTR的高性能等离子体放电实验，首次展示了磁约束聚变迈向工业应用的前景。进入21世纪，全球各大装置陆续规划与建成。ITER于2020年后进入大部件安装阶段，其关键系统的完成标志着国际聚变事业正从“物理可行”持续向“工程可行”与“长期稳定运行可行”过渡，为后续示范堆建设与商业化验证奠定了坚实的技术与组织基础。
图 11 可控核聚变发展历史重大节点
资料来源：福建省生态环境厅官网，中科院合肥研究院等离子体所公众号，华西证券。
在国际层面，ITER项目作为全球最大聚变合作工程，正从组装迈向调试阶段。全球核聚变发展呈现国际合作与自主攻关并行的格局，以ITER为代表的国际工程是多边协作的核心。自2006年七方签署协议以来，ITER项目持续推进，于2020年转入托卡马克装置实质性组装阶段，并于2025年4月完成关键超导磁体系统的集成，为首次等离子体放电创造了物理与工程条件。根据ITER组织2022年修订的基准路线图，项目目标在2035年实现首次等离子体放电，并在2030年代末至2040年代初逐步过渡到氘氚运行阶段，最终验证聚变能大规模生产的科学与工程可行性。这一全球规模最大、参与方最广的合作计划，其进展对确立聚变能的未来时间表具有决定性意义。 中国通过多层次项目布局，系统构建自主聚变能源发展体系。中国通过“基础研究-工程验证-示范预研”多层次项目布局，正系统性地构建自主聚变能源发展体系。在基础研究层面，全超导托卡马克EAST装置长期攻关高参数稳态等离子体运行，为未来堆提供成套物理与运行经验。在工程验证层面，紧凑型聚变能实验装置BEST项目进展加速，已于2025年启动主机总装，计划在本世纪20年代末进行实验，旨在为未来实现能量净增益和发电演示验证关键技术。 在示范堆预研层面，中国聚变工程试验堆CFETR作为ITER之后的关键战略部署，规划分两阶段运行：第一阶段实现聚变功率50-200兆瓦与氚自持；第二阶段将功率提升至吉瓦级，开展示范堆验证，为其提供关键技术验证的CRAFT设施已进入建造尾声。CFETR项目目前处于详细工程设计阶段，其建设时间表将取决于前期关键技术验证、国家立项审批及资金安排，远期目标是在本世纪中叶前建成并运行。 可控核聚变市场现状 全球核聚变市场正处于从“科学验证”向“工程化与商业化探索”加速过渡的关键阶段，市场驱动力与结构呈现多元化特征。 市场驱动由能源转型与新兴需求双重驱动。全球市场发展的核心驱动力，一方面源于各国对能源安全、实现碳中和目标的战略诉求，将可控核聚变视为“终极能源”解决方案进行前瞻性布局。另一方面，以人工智能、大数据中心为代表的新兴产业对稳定、巨量的基荷电力需求急剧增长，传统能源结构难以满足，这为核聚变能源的远期商业化应用提供了明确的市场牵引。根据核聚变行业协会（FIA）发布的2025年聚变能产业报告，全球总投资额从2021年的19亿美元跃升至2025年的97亿美元以上，五年增长超五倍。投资激增反映了市场对技术前景的信心，也支撑了完整供应链的快速形成。 市场结构呈现大科学工程与商业公司“双轨并行”格局。当前市场呈现清晰的二元结构。一是以国际热核聚变实验堆（ITER） 为代表的公共项目市场，其作为全球最大的科学合作工程，总投资规模巨大，旨在验证聚变能大规模生产的科学与工程可行性。ITER项目不仅带动了千亿级规模的设备采购与研发投入，更重要的是为全球产业链建立了统一的技术标准、认证体系和供应链基础，是产业发展的“压舱石”和“孵化器”。二是以私营资本为主导的商业公司市场，呈现爆发式增长。以美国Commonwealth Fusion Systems（CFS）、Helion Energy，英国Tokamak Energy，以及中国的能量奇点、星环聚能等为代表，这些公司采用高温超导等新技术，致力于开发更紧凑、成本更低的装置，目标是在2030年代实现并网发电。该领域吸引了谷歌、微软等科技巨头的战略投资和长期购电协议（PPA），市场活力强劲，技术路线也更为多样，包括紧凑型托卡马克、场反位形（FRC）、Z箍缩等。 市场进入资本开支扩张周期。随着多个示范堆和实验堆进入建设阶段，全球市场正迎来明确的资本开支周期。根据行业测算，未来5-10年，全球围绕CFETR（中国）、EU-DEMO（欧洲）、K-DEMO（韩国）等下一代示范堆，以及SPARC（美国）、BEST（中国）等紧凑型实验堆的建设，直接投资规模预计可达数千亿元人民币。FIA调查的约84%的受访商业公司认为核聚变供电有望在2040年前实现，商业化时间表大幅提前，进一步强化了市场的投资逻辑和预期。
表2 全球可控核聚变重大项目
资料来源：可控核聚变媒体，新浪科技，中国核技术网等，深企投产业研究院整理。
可控核聚变产业链 核聚变产业链由上游原材料、中游设备制造与集成、下游装置运营与未来发电应用组成，如下图所示。
图12 可控核聚变产业链
资料来源：深企投产业研究院整理。
——上游原材料与基础部件：主要包括面向等离子体材料（如偏滤器/第一壁用的高纯钨、铜合金等）、超导材料（低温超导NbTi/Nb₃Sn和高温超导REBCO带材）、燃料（氘、氚、锂）以及特种气体（如氦）等。 ——中游关键设备与系统集成：这是当前产业价值量最集中、订单最明确的环节。主要包括：1）磁体系统：价值量占比最高（在ITER中约占28%），是托卡马克装置的“心脏”涉及超导线圈的设计、制造和集成。2）真空系统：主要有真空杜瓦及真空室等，其中真空室包括真空室主体、第一壁、偏滤器等直接面对等离子体的核心部件，工作环境极端，技术壁垒高。3）配套系统：包括加热与电流驱动系统（如射频加热、中性束注入）、大功率电源系统、低温制冷系统、诊断与控制系统等。 下游装置建设与核电发电：目前装置建设以国家级大科学装置（如EAST、HL-3、BEST、CFEDR）和商业公司实验堆的设计、总装、实验为主，尚未进入商业化发电阶段。其功能在于验证技术路线、带动上游产业链发展。展望未来，可控核聚变最终目标是建设聚变商业电站，为电网提供稳定、清洁的基荷电力，最终下游还将包括核聚变电站运营、能源输出等。
