國內外可控核聚變推進進展如何？

國際可控核聚變加速推進，中國可控核聚變發展進入新時期。

1. 多國合作推進 ITER 項目，將建成世界最大托卡馬克裝置

1.1 ITER 是一個國際合作的托卡馬克實驗項目

可控核聚變研究耗資巨大、研究周期長，要求廣泛的國際合作，ITER 應運而生。根據趙君 煜《國際熱核聚變實驗堆 ITER 計劃》一文，1985 年提出設計和建造國際熱核聚變實驗堆 ITER 的倡議。根據中國科學院文章，2007 年 10 月核技術研究中心國際熱核聚變實驗堆 （ITER）組織在法國正式成立，標志著目前全球規模最大、影響最深遠的國際重大科研合作 協議正式啟動。當前承擔 ITER 計劃的是美國、日本、歐盟、中國、俄羅斯、韓國和印度七 方，將建設一個為驗證全尺寸可控核聚變技術可行性的國際托卡馬克實驗堆。

1.2 ITER 設立兩階段目標，探索可控聚變發電可能性

ITER 將分兩階段進行研究，為商用可控聚變堆提供重要依據。根據趙君煜《國際熱核聚變 實驗堆 ITER 計劃》一文，ITER 第一階段的主要目標是建設一個能產生 5x105kW 聚變功 率、能量增益大于 10（在其他參數不變的情況下，若運行電流為 17MA，則總聚變功率 700MW）、重復脈沖大于 500s 氘氚燃燒的托卡馬克型實驗聚變堆。ITER 的建造是受控熱 核聚變研究（包括等離子體物理和等離子體技術）的新階段，并直接為設計托卡馬克型商用 聚變堆提供依據。同時 ITER 還考慮了可供探索進一步改進燃燒等離子體性能的可能途徑， 并準備了多種控制燃燒等離子體的手段。ITER 第二階段的目標是拉長可控核聚變持續時間， 實現更長脈沖或接近成為準穩態或穩態運行。

ITER 將聚焦于探索可控核聚變發電可能性。根據澎湃新聞，ITER 任務包括探索新的加熱方 式與能量損失機制；使用超導磁體產生的強磁場改善等離子體的約束性能、探索等離子體密 度極限；研究高性能、長壽命的材料；探索可控核聚變堆的最佳化設計等。ITER 的使命是 展示可控核聚變發電的可行性，并證明它可以不造成負面影響。它不是磁約束的商用聚變電 站的原型，但是，它是邁向磁約束商用可控聚變電站必經的重要階段之一。

1.3 ITER 建設為全球分工，中國承制多類零部件

各國政府及科技界的高度重視和支持 ITER 建設。目前項目的參與國達 35 個，其中中國、 印度、日本、韓國、俄羅斯及美國分別承擔 ITER 建設階段費用的 9.1%，其中 90%將以設 備的形式貢獻，另外 10%則為現金貢獻；東道方歐盟貢獻金額達到 45%，包括部分 ITER 零 部件與系統的制造，以及幾乎所有有關該科學研究的投資。

ITER 裝置的部件被拆分為 22 個采購包, 97 個子包。根據潘傳紅《國際熱核實驗反應堆 ITER計劃與未來核聚變能源》一文，據聯合實施協定，ITER 真空室扇區的制造任務分別由歐盟 （7 個扇區）與韓國（2 個扇區）分擔；中心螺旋管則由美國與日本合作完成；偏濾器的制 造與測試則分給歐盟、俄羅斯與日本；印度與美國共同負責 ITER 的冷卻水系統；包層系統 將由中國、歐盟、韓國、俄羅斯及美國制造；最后，除印度之外的 ITER 計劃六個成員方都 將參與 ITER 磁體的生產。 中國承擔了 12 個子包(分屬 6 個采購包)的制造任務。預計研制費和加工費達 40 億元人民 幣，涉及到的部件(材料)為: 磁體支撐、包層第一壁、包層屏蔽體、氣體閥門箱和輝光放電 清洗系統、修正場線圈、磁體引線、高壓變電站設備、交-直流轉換器、環向場磁體線圈導 體、極向場磁體線圈導體、傳送車系統、診斷系統(中子通量測量、光學測量、朗繆爾探針) 等。

1.4 ITER 成本中磁體最高，目前已進入實質建設階段

根據《MIT 科技評論》，截至 2021 年 6 月，ITER 項目預估成本為 220 億美元，其中磁體 系統、容器內部件、建筑占比最高，分別達到 28%、17%、14%。在實際建造中，工廠總體 成本（包括建筑成本和主機裝置外的支持部件和附屬系統）被大大低估，ITER 的預算也在 逐年上升。根據核聚變發電廠 DEMO 的成本估算，制冷系統、容器內部件、磁體系統將分 別占比 16%、15%、12%。

ITER 項目仍在穩步推進，目前已進入安裝工程階段： 1998 年，ITER 工程設計獲批。 2006 年，ITER 項目被正式同意并被資助，預計 2008 年將開始建設，預計成本為 100 億歐元 (128 億美元)，并在十年后完成。 2013 年，ITER 被核算已有許多拖延和預算超支。 2015 年，ITER 項目審查得出結論，時間軸需要往后延長至少 6 年。 2016 年，伊朗原子能組織完成了伊朗參加 ITER 的初步工作。 2017 年，完成了低溫容器底座和底部柱體的安裝，為托卡馬克的安裝鋪平了道路。至此， ITER 已經完成了 65%的工作。 2020 年 7 月 28 日，ITER 托卡馬克裝置安裝工程啟動。 2025 年 ITER 預計首次等離子體運行，2035 年開始氘-氚運行。

2. 美國：NIF 實現能量凈增益

2022 年 12 月，美國國家點火設施(NIF)首次實現了凈能量增益——從核聚變反應中產生的 能量比其消耗的能量更多。實驗向燃料靶輸送了 2.05 兆焦耳能量，實現 3.15 兆焦耳的能量 輸出，首次證明了慣性約束聚變能的基本科學依據。2023 年 7 月 30 日，NIF 的聚變研究人 員成功重復了 2022 年 12 月進行的核聚變實驗，第二次實現的凈能量增益比上一次實驗獲 得的凈能量更高。

3.歐洲：JET 氚氚聚變實驗產生等離子體，升級輔助ITER

歐洲聯合環面（JET）是世界首個氘氚運行聚變設施。該設施位于英國牛津郡卡勒姆聚變 能源中心，項目于 1983 年開始運營，1991 年成為世界上第一個使用 1:1 的氚和氘混合物 運行的反應堆。1997 年創下使用氘氚燃料輸出 16 兆瓦的峰值聚變功率紀錄，并保持至 今。2006 年 JET 開始升級，致力于為 ITER 實驗奠定基礎，并于 2011 年安裝了新的碳/鎢 等離子體面板測試 ITER 的同種配置。2023 年 10 月，JET 進行了最后一次氘氚燃料實驗。 該設施在推進聚變能源研究方面發揮了重要作用，通過其創新的氘氚實驗為 ITER 和未來聚 變發電廠奠定了基礎。

4. 日本：JT-60SA 成功產生等離子體

JT-60SA：位于日本茨城縣，由日本量子科學技術研究所(QST)和歐洲聚變能組織(Fusion for Energy)合作建設和運行。JT-60SA 高 15.5 米，能夠容納 135 立方米等離子體，在 ITER 建 成前是全球最大的托卡馬克研究裝置。

該裝置已于 2023 年 10 月 23 日首次成功產生等離子體。該裝置預計滿功率運行將實現等離 子體加熱到 2 億攝氏度，并在 28 個超導線圈組成的磁鐵系統中運行 100 秒。JT-60SA 項目 的使命是通過解決 ITER 和 DEMO 的關鍵物理問題，為聚變能的早期實現做出貢獻。

5. 中國：可控核聚變發展目標明確，政府投資和民間投資共同繁榮

5.1 我國具有可控核聚變的明確目標和時間規劃

聚變能是未來理想的戰略能源之一。我國提出“熱堆-快堆-聚變堆”核能“三步走”發展 戰略，該戰略要求從本世紀中期開始，在利用熱堆和快堆發電的同時發展核聚變反應堆。 在磁約束聚變領域，我國托卡馬克的研究目前處于領先地位。據中國工程院杜祥琬院士等 《核能技術方向研究及發展路線圖》一文，我國正式參加了 ITER 項目的建設和研究;同時 正在自主設計、研發中國聚變工程試驗堆(CFETR)。 我國可控核聚變能研究開始于 20 世紀 60 年代初。由于世界上主流可控核聚變一直沿用前 蘇聯發明的托卡馬克裝置，我國從 70 年代開始集中選擇了托卡馬克為主要研究途徑，先后 建成并運行了 CT-6、KT-5、HT-6B、HL-1、HT-6M 托卡馬克實驗裝置。 目前我國具備明確的磁約束聚變的近期、中期和遠期技術目標： （1）近期目標（2015—2021 年）：建立近堆芯級穩態等離子體實驗平臺，吸收消化、發展 與儲備聚變工程實驗堆關鍵技術，設計、預研聚變工程實驗堆關鍵部件等； （2）中期目標（2021—2035 年）：建設、運行聚變工程實驗堆，開展穩態、高效、安全聚 變堆科學研究； （3）遠期目標（2035—2050 年）：發展聚變電站，探索聚變商用電站的工程、安全、經濟 性。

國內的可控聚變發展態度明確，即將邁入新發展階段。2023 年 12 月，以“核力啟航 聚變未 來”為主題的可控核聚變未來產業推進會在蓉召開。由 25 家央企、科研院所、高校等組成的 可控核聚變創新聯合體正式宣布成立。會上，中國聚變能源有限公司（籌）舉行揭牌儀式， 第一批未來能源關鍵技術攻關任務正式發布，對于創新協同推進可控聚變能源產業邁出實質 性步伐具有重要的里程碑意義。

5.2 政府投資項目與民間投資項目共同繁榮

（1）政府投資項目： 中科院所屬合肥等離子體物理研究所(ASIPP)是我國核聚變研究的重要基地。1994 年通過國 際合作成功研制出可產生長脈沖高溫等離子體的中型聚變研究裝置——HT-7 超導托卡馬克， 使我國成為繼俄、日、法之后第四個擁有該類裝置的國家。在 HT-7 成功運行的基礎上，等離子體所的科學家提出了新的升級改造計劃——“HT-7U 全超導非圓截面托卡馬克裝置建 設”計劃。項目于 2003 年 10 月更名為 EAST，中文名為“東方超環”。 EAST 裝置的主機部分高 11 米，直徑 8 米，重 400 噸，由超高真空室、縱場線圈、極向場線 圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大部件組成。其大小半徑雖然只有國際熱核聚變 試驗堆（即 ITER）的 1/3 和 1/4，但位形與 ITER 相似且更加靈活，而且將比 ITER 早 10-15 年投入運行。EAST 或將是未來十年唯一能為 ITER 提供長脈沖穩態先進運行高參數非圓等離 子體平臺的實驗裝置，將會在發展穩態高性能等離子體物理的科學研究計劃中處于世界前沿 地位，進而為支持 ITER 和聚變能發展作出貢獻。

核工業西南物理研究院建設環流器一號和二號。該院建院于二十世紀六十年代中期，隸屬中 國核工業集團公司。作為中國最大的受控核聚變研究基地，聚變科學所先后研制了中國環流 器一號（HL-1,1984） 和中國環流器新一號（HL-1M，1994），并取得重大進展。2002 年 12 月，建成中國第一個具有偏濾器的托卡馬克裝置——中國環流器二號 A（HL-2A）并進入運行，同時開展與 ITER 相關的物理與關鍵技術研究。

2020 年 12 月，新一代“人造太陽”裝置——中國環流器二號 M 裝置（HL-2M）在成都建成 并實現首次放電。據《中國紀檢監察報》，該裝置是我國目前規模最大、參數最高的先進托 卡馬克裝置，是我國新一代先進磁約束核聚變實驗研究裝置。HL-2M 等離子體體積達到國內 現有裝置 2 倍以上，等離子體電流能力提高到 2.5 兆安培以上，等離子體離子溫度可達到 1.5 億度，能實現高密度、高比壓、高自舉電流運行，是實現我國核聚變能開發事業跨越式 發展的重要依托裝置，也是我國消化吸收 ITER 技術不可或缺的重要平臺。

全超導托卡馬克 EAST 裝置的建成是建設 CFETR 的基礎，“基于 ITER，超越 ITER”是我國 對建設 CFETR 的定位。CFETR 于 2017 年 12 月 5 日在合肥正式啟動工程設計，計劃 2035 年 建成工程實驗堆。

CFETR 相較于目前在建的 ITER 裝置，在科學問題上主要解決未來商用聚變示范堆必需的穩 態燃燒等離子體的控制技術，氚的循環與自持，聚變能輸出等 ITER 裝置未涵蓋內容；在工 程技術與工藝上，重點研究聚變堆材料、聚變堆包層及聚變能發電等 ITER 裝置上不能開展 的工作；掌握并完善建設商用聚變示范堆所需的工程技術。CFETR 裝置的建設不但能為我國 進一步獨立自主地開發和利用聚變能奠定堅實的科學技術與工程基礎，而且使得我國率先利 用聚變能發電、實現能源的跨越式發展成為可能。 緊湊型聚變能實驗裝置（BEST）根據黃靜《技術與產業進展共振高溫超導正當時》一文， BEST 已于 8 月 24 日獲合肥市廬陽區發改委批復，擬于 2023 年開工，2026 年建成運行， 總計劃投資 85 億元。

（2）民間投資： 能量奇點成立于 2021 年，是中國首家聚變能源商業公司，業務聚焦于開發高磁場、高參數、 緊湊型高溫超導托卡馬克裝置等。HH-70 是其設計研發的全高溫超導托卡馬克裝置，目標是 為了驗證高溫超導托卡馬克的建造可行性以及運行過程中的安全性與磁體的魯棒性，并探索 適用于下一臺先進托卡馬克裝置的電流驅動手段。公司計劃到 2027 年，設計建造一個穩態、 強磁場高溫超導先進托卡馬克，全面驗證并奠定可高效獲取聚變能的科學技術基礎；到 2030 年，建設示范電站。

星環聚能成立于 2021 年 10 月，專注于小型化、商業化、快速迭代的可控聚變能裝置的研 發、設計、建造和運行。公司的主要研發人員均畢業于清華大學工程物理系，該系核能所聚 變團隊研究磁約束可控核聚變并運行國內首個球形托卡馬克 SUNIST，至今已運行超過 20 年， 放電超過 10 萬次，取得了豐碩的成果。2023 年 6 月，為驗證重復重聯原理和 1T 磁場球形 托卡馬克的約束性能，由星環聚能和清華大學合作建設完成 SUNIST-2，并獲得第一等離子 體。目前，星環聚能正在完成 CTRFR-1 的設計，該裝置是一臺等離子體參數接近聚變堆要求 的中型高溫超導球形托卡馬克。通過該裝置，星環聚能將驗證重復重聯聚變堆的技術可行性。 CTRFR-1 達到預定目標后，星環聚能將啟動商用示范堆（CTRFR-2）的設計和建造，努力成為 全球首個商用可控聚變示范堆。

新奧集團 2018 年正式開始致力于可控聚變研發，選擇了技術難度高但具備商業化獨特優勢 的球形環-氫硼聚變-結合人工智能的技術路線，目標是推進可控核聚變商業化早日實現。依 托新奧建設和運行河北省緊湊型聚變重點實驗室，于 2018 年獲批籌建，2020 年通過驗收。EXL-50（ENN Xuanlong-50，玄龍-50）是新奧自主設計建造的中型球形托卡馬克實驗裝置。 2018 年 10 月開始啟動，通過系統組織、分工協作，用 10 個月左右的時間完成了裝置的設 計、制造、安裝和調試工作。裝置經過規范與不斷改進，已實現穩定可重復的球形等離子體。 2024 年 1 月 24 日上午，由新奧自主設計建造的中國首座中等規模的球形環聚變實驗裝置的 升級版—玄龍-50U 正式啟動，并實現等離子體放電。