可控核聚变技术路线多元化发展，公共资金和私营资本踊跃入局
思瀚产业研究院    2025-09-01

1、 可控核聚变技术路线多样，商业化落地渐行渐近

核聚变反应指的是两个较轻的原子核碰撞融合合并形成一个较重的原子核的过程，核聚变反应过程中会损失一部分质量，根据质能方程 E=Δmc2，反应会释放大量能量。

实现核聚变反应，需要同时满足三个条件：足够高的温度、一定的密度和一定的等离子体约束时间。其中，温度是微观粒子动能的宏观表现，1keV 大约对应1.16×10⁷K，实现聚变反应首先需要将反应物加热至极高温度达到电离状态，使原子核与电子分离，形成等离子体，并且粒子须具备足够的动能以克服库仑势垒发生融合。

磁约束聚变装置中氘氚反应要求粒子动能/等离子体温度达到 10keV/108K 数量级；更高的等离子体密度以增加发生碰撞的可能性；更长的约束时间将具有膨胀倾向的等离子体保持在限定的体积内，为反应发生创造条件。

劳逊判据（Lawson Criterion）是判断受控核聚变能否实现能量净输出的阈值条件，等离子体温度、密度、约束时间三者的乘积称为聚变三乘积，磁约束聚变装置中，氘-氚聚变要实现功率输出需将三乘积提高到 1021keV·s·m⁻³数量级。聚变不排放温室气体，能够提供基荷电力，没有融毁和核扩散的风险，也无需处理大量长寿命放射性废物，是较为理想的能源。

在可控核聚变研究中，常见的聚变反应有氘-氚反应、氘-氘反应、氘-氦 3 反应、氢-硼 11 反应四种。

D-T（氘-氚反应）：反应产生一个氦 4 原子核（α粒子）和一个中子，氘-氚反应在相对较低的温度下就能发生，且释放的能量较高，是目前具备科学可行性的反应，也是目前磁约束聚变堆的主要方向。但反应产生的大部分能量（约 80%）由中子携带，中子不带电荷不受磁场约束，反应发生后高能中子会脱离等离子体并直接撞向反应容器内壁，反应容器面临较强的中子辐射，反应自持燃烧难度较大，并且同位素氚是放射性元素，半衰期仅 12 年，在反应堆实现氚增殖之前获取成本较高。

D-D（氘-氘反应）：反应 50%产生一个氚原子核和一个质子，50%产生一个氦 3原子核和一个中子；氘-氘反应产生的中子携带较少能量，中子辐射问题相较于氘氚反应有所缓解，且同位素氘的获取相对简单；但对等离子体温度和密度要求较高。

D3He（氘-氦 3 反应）：反应不产生中子，不存在中子辐射问题；但氦 3 获取相对困难，且反应点火温度要求较高。

p11B（氢-硼 11 反应）：反应不直接释放中子，但对温度的要求较高。

全球核聚变的主要技术路线包括磁约束、惯性约束、磁-惯性混合约束、Z 箍缩等其他前沿探索；目前实现核聚变的技术路径主要分为以下几类：

磁约束聚变（Magnetic Confinement Fusion, MCF）：利用强磁场束缚高温等离子体，例如托卡马克（Tokamak）和仿星器（Stellarator）。磁约束原理是带电粒子在磁场中运动形成封闭轨道，从而将上亿度的等离子体限制在真空容器中，避免高温等离子接触容器壁。其优势在于物理基础成熟、稳态运行潜力大，但挑战在于装置规模庞大且等离子体不稳定性（如托卡马克中的破裂）需主动控制。

惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion, ICF）：利用强激光或粒子束在瞬间压缩燃料靶丸，依靠燃料自身惯性维持超高密度和温度足够长时间以发生聚变。惯性约束的优点是物理过程快（脉冲级别），不需要长时间稳定等离子体。缺点是能量利用效率低（目前激光能量耦合效率仅约 1%，远低于商用所需的 10%～20%），且重复频率和靶丸制造供应环节面临较大的工程挑战。

磁-惯性约束聚变（Magneto-Inertial Fusion, MIF）：结合磁场和惯性双重约束机制，典型如磁化靶聚变和脉冲磁约束等。这类方案在燃料被快速压缩前先施加磁场预先约束或加热，以降低能量损失、提高效率。磁-惯性路径的优势是装置规模相对较小、对超导磁体或巨型激光依赖较少，挑战在于需同步掌控磁场施加与快速压缩的协调，以及机械系统的寿命。该方向近年来得到商业关注，多家初创公司以此为基础探索实用反应堆。

箍缩聚变（Pinch Fusion）：通过强电流在等离子体内自生磁场实现瞬时压缩，如 Z 箍缩（Z-pinch）方式。在 Z 箍缩中，几百万安培的电流通过等离子体柱，产生环向磁场将等离子体猛然压向轴心。该方法历史悠久，装置简单且无需大型磁体或激光，理论上装置可以非常紧凑，但经典 Z 箍缩易出现不稳定使等离子体过早瓦解。

其他新概念：此外还有一些较前沿或特殊的聚变机制，如μ子催化聚变、致密等离子体聚焦、静电惯性约束等。这些方法在实验室尺度有所研究，但在能量产出和可控制性方面远不及前述主流路线，目前主要停留在探索阶段。

聚变反应堆能量增益用因子 Q 表示，定义为聚变反应产生的能量输出与能量输入之比。聚变反应输出的能量和引发聚变反应输入能量相等是科学意义上的能量“得失相当”条件，QSci=1 为聚变反应堆科学可行性的门槛，Qsci与聚变反应输入能量吸收效率 ηabs 和燃料增益 Qfuel 正相关。但由于能量转化和输入输出过程存在损耗，输出电能与输入电能相等是工程意义上的能量“得失相当”条件，Qeng=1 为聚变工程可行性的门槛，Qeng与能量输入输出过程中的电能转换效率ηE、ηelec以及Qsci正相关。

磁约束聚变装置需要较长时间将等离子体温度维持在点火温度，因此通常使用点火温度最低的氘氚聚变反应。磁约束聚变装置 ηE约为 0.7、ηelec约为 0.4，实现电能得失得当 Qeng=1 需要 Qsci=6。由于磁场仅对带电粒子有约束作用，反应产生的高能中子会将 80%的能量带离等离子体，用于产生蒸汽推动汽轮机发电；而剩余 20%的能量由α粒子携带停留在等离子体中，继续加热等离子体。

因此，虽然氘-氚聚变点火温度相对较低，但实现自持燃烧要求的增益因子较高，理想状态下磁约束氘氚聚变装置 Qsci达到 5 可实现等离子体自持；考虑到反应堆的建设和运营成本，反应堆在 Qsci=10 时有望达到经济平衡；在 Qsci＞30 时有望实现商业化发电。

部分直线型场反位形（FRC）装置能量输出过程绕过了“烧开水”环节，回收聚变能的过程与电动汽车动能回收过程类似，将聚变产生的高能带电粒子携带的动能以电磁感应的方式直接转换为电能；并且 FRC 装置不需要长时间将等离子体维持在点火温度，因此通常使用点火温度较高但反应产物中带电粒子更多的氘氘聚变和氘氦 3 反应。理论上，FRC 装置 ηelec 更高，实现 Qeng=1 所需的 Qsci更低。

当前在运的聚变装置中，较高的 Q 值（若无特殊说明，后文中 Q 值均指代 Qsci）和三乘积记录基本由托卡马克和惯性约束聚变装置实现。左图中的红色轮廓表示在磁约束聚变（MCF）实验中达到指定科学能量增益所需的条件，黑色曲线表示在惯性约束聚变（ICF）实验中实现点火和燃烧所需的条件。

磁约束聚变装置中，托卡马克已基本实现 Q=1；惯性约束装置中，美国国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）在 2025年第八次点火实验中实现 Q 值 4.13。但 NIF 所描述的 Q 值计算的是输入到靶腔的能量与聚变反应输出能量的比值 QSci，未考虑激光器系统的损耗（激光器需要消耗约300MJ电能才能输出2MJ耳激光能量，ηE较低），实际上QEng远小于QSci。

利用聚变产生的高能中子可构建聚变-裂变混合堆（Fusion-Fission HybridReactor），实现核裂变燃料的增殖、核废料嬗变、发电、氚自持。聚变-裂变混合堆是一种结合聚变中子源与次临界裂变包层的核能系统，旨在实现核燃料增殖（聚变产生的高能中子轰击铀-238 或钍-232，生产钚-239 或铀-233，供给裂变电站）、核废料嬗变（中子轰击次锕系核素，将其裂变为短寿命同位素，减少放射性危害）、能量生产输出（裂变环节释放的能量可达聚变环节的 20 倍以上）及氚自持等功能。与四代裂变快堆相比，聚变-裂变混合堆具有可控优势；与聚变堆相比，聚变裂变混合堆对聚变环节的能量增益要求大幅降低。按照中子能量的不同，可将中子分为三类，快中子（0.5MeV~10MeV）、中能中子（~0.02MeV）和热中子（<0.5keV）。

铀-235 对热中子的裂变截面（入射粒子使靶核裂变的概率）更大，铀-238 对快中子的裂变截面更大。裂变热堆大多使用铀-235 为核燃料，使用水、重水等材料作为中子慢化剂，将铀-235 裂变反应产生的快中子慢化为热中子，从而提高裂变反应概率并维持链式反应不失控。裂变快堆使用无中子减速作用的液态钠、铅等作为导热介质，利用铀-235 裂变产生的快中子“点燃”铀-238 或钍-232 进而发生裂变反应，快堆的持续燃烧仍依托链式反应。

聚变-裂变混合堆使用氘氚聚变产生的高能中子（~14MeV）“点燃”铀-238 或钍-232；混合堆不需要达到链式反应条件且聚变反应过程依赖稳定可控的外部能量输入，混合堆相较于裂变快堆更加可控；同时，混合堆整体能量倍增系数 M≥10 使聚变环节 Q 值仅需达到 1-2 即可实现商业化运行，混合堆对聚变环节的能量增益要求较聚变堆大幅降低。目前国内在建高温超导托卡马克混合堆星火一号项目，拟建 Z 箍缩混合堆先觉聚能 Z-FFR 项目。

2、 全球核聚变竞赛已拉开帷幕，私营资本和科技巨头踊跃入局

根据聚变行业协会（FIA）《2024 年全球聚变行业报告》，聚变行业 2021-2024 年已累计吸引了超过 71 亿美元的投资，2024 年新增 9 亿美元投资，其中政府资助增加至 4.26 亿美元、增幅 57%；全球范围内的私营聚变公司也随之增加到 45 家。全球范围来看，在运/在建的核聚变项目主要由公共资金主导，采取磁约束技术路线；规划中的核聚变项目主要由私营资本主导，技术路线趋于多元化。

根据国际原子能机构（IAEA）聚变装置信息（FusDIS）的统计，截至 2025 年 7 月，全球共有 167 个聚变装置，其中 101 个在运，17 个在建，49 个规划中。在运和在建的 118个装置中，公共资金主导的项目共有 102 个，占比 86.4%；公共资金主导的项目中，采用磁约束技术路线（托卡马克和仿星器）的装置共有 76 个，占比 74.5%。规划的49 个项目中，私营资本主导的项目共有 37 个，占比 75.5%；私营资本主导的项目中采用磁约束技术路线的装置共有 26 个，占比 53.1%。

全球核聚变竞赛已拉开帷幕，各国聚变公司权益融资活动频繁。从聚变项目分布来看，全球 167 个聚变装置中，美国、日本、俄罗斯、中国分别拥有 49 个、26个、14 个、13 个。从各国聚变公司融资情况来看，2021 年起，聚变公司权益融资额迅速提升；美国、中国的聚变公司融资额较高；2022 年起中国的聚变公司融资额逐年提升。2024 年全球聚变公司累计权益融资额近 30 亿美元；2025 年 1-7 月，全球聚变公司权益融资额已超 10 亿美元。

科技巨头踊跃入局核聚变公司投资，技术路线选择多元。美国 CommonwealthFusion Systems（CFS）公司总融资额已超过 20 亿美元；2025 年 B2 轮融资已获得超过 10 亿美元的认购，融资完成后预计估值将超过 80 亿美元；投资者包括比尔·盖茨、索罗斯、谷歌母公司 Alphabet 等。2025 年 6 月，CFS 与 Alphabet 签订供电协议，计划在 2030 年代通过 ARC 电站（总发电量 400 兆瓦）向谷歌供应 200 兆瓦电力。

美国核聚变初创公司Helion Energy总融资额已超过10 亿美元，估值超过 54 亿美元，投资者包括 OpenAI 创始人 Sam Altman、马斯克等，2023 年与微软签署供电协议，计划在 2028 年向微软供电 50MW。

2030s 有望密集建成商业化聚变电站，若未来进入批量建设阶段，年投资额有望达数千亿规模。根据聚变行业协会（FIA）的统计，截至 2024 年，有 23 家聚变公司计划在 2031-2040 年间建成首座商业化聚变电站。按照 ITER 的初期测算，电功率为1GW 的聚变堆，建造成本至少千亿人民币；私营资本高场托卡马克每 100-500MW目标造价约 150-350 亿人民币。

参考裂变堆运行寿命与年利用小时数，假设托卡马克装置运行寿命 40 年，年利用小时数 7500；假设不同情景下，聚变电站年均新增装机随单位造价下降、商业化发电临近而逐渐增加；若单位造价下降至 60 元/瓦，LCOE将下降至约 0.61 元/千瓦时，有望具备经济竞争力，从而进入批量建设阶段；参考当前国内裂变堆每年 10GW 级的核准建设节奏，未来批量建设情景下，托卡马克装置年投资额或将达数千亿元。