可控核聚變項目進展與市場空間如何？

AI 將助力可控核聚變商業(yè)化加速實現(xiàn)。

一、可控核聚變項目進展

1、國家隊進展

（1）EAST 連續(xù)多次創(chuàng)下新世界記錄，BEST 有望率先建成首個緊湊型裝置。東方超環(huán)(EAST)：1990 年，中科院等離子體物理研究所采用易貨貿(mào)易的方式將蘇聯(lián)的 T-7 托卡馬克引 進，并花費 3 年時間將其升級為合肥超環(huán)(HT-7)，即一臺可產(chǎn)生長脈沖高溫等離子體的中型托卡馬克裝 置。在 HT-7 的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，我國自主研制并建成世界上第一臺全超導(dǎo)聚變實驗反應(yīng)堆——東方超環(huán) (Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)，標志著聚變能發(fā)展步入全超導(dǎo)托卡馬克 時代，向著實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)核聚變能源方向發(fā)展。 EAST 項目于 1998 年獲我國政府批準，由中國科學院等離子體物理研究所承擔研究建設(shè)工作，并在 2005 年底完成裝置組裝，最終于 2006 年 9 月開始測試并獲得等離子體。 2025 年 1 月 20 日，EAST 在安徽合肥創(chuàng)造新世界紀錄，首次完成 1 億攝氏度 1000 秒“高質(zhì)量燃燒”，標 志我國聚變能源研究實現(xiàn)從基礎(chǔ)科學向工程實踐的重大跨越，對人類加快實現(xiàn)聚變發(fā)電具有重要意義。 EAST 形如“巨罐”，匯聚“超高溫”“超低溫”“超高真空”“超強磁場”“超大電流”等尖端技術(shù)于一體，近百萬 個零部件協(xié)同工作，擁有專利近 2000 項。十余年來，EAST 歷經(jīng) 15 萬多次實驗，最終實現(xiàn)“億度千秒” 的長脈沖高約束模等離子體運行，攀上新的科學高峰。

BEST（燃燒等離子體實驗超導(dǎo)托卡馬克裝置，Burning plasma Experimental Superconducting Tokamak）：將在 EAST 裝置基礎(chǔ)上，首次演示聚變能發(fā)電，引領(lǐng)燃燒等離子物 理研究，為中國聚變能的發(fā)展做出前瞻性和開創(chuàng)性貢獻，并將率先建成世界首個緊湊型聚變能實驗裝置。 BEST 如果按計劃時間建成，將會成為世界首個緊湊型燃燒等離子體物理實驗裝置。它將實現(xiàn)聚變能量 增益 Q≥1（即輸出能量大于等于輸入能量，獲得能量收益）和 Q=5，并在全世界范圍內(nèi)首次演示聚變能 發(fā)電。

最新進展：2025 年 3 月首塊頂板澆筑，計劃 2027 年建成，有望實現(xiàn)全球首次燃燒等離子體實驗。5 月 1 日，BEST 工程總裝啟動儀式舉行，比原計劃進度提前了兩個月。要將包括超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、磁體饋線 系統(tǒng)、杜瓦等核心部件安裝至主機基坑內(nèi)。

（2）環(huán)流系列亦多次取得大幅躍升式進展。環(huán)流 3 號(HL-3)：作為我國專門從事磁約束聚變以及等離子體研究的科研機構(gòu)，核工業(yè) 585 所(現(xiàn)核工 業(yè)西南物理研究院)自建立以來，先后研發(fā)了 20 多種不同類型的聚變研究裝置，其中包括中國環(huán)流器一 號裝置(HL-1)、中國環(huán)流器新一號裝置(HL-1M)、中國環(huán)流器二號 A 裝置(HL-2A)以及中國環(huán)流器三號 裝置(HL-3)等。HL-3 裝置作為 HL-2A 的改造升級裝置，是我國自主研發(fā)的新一代先進磁約束核聚變實 驗研究裝置，該裝置線圈系統(tǒng)均采用銅導(dǎo)體水冷線圈繞制而成。 最新進展：3 月 28 日，環(huán)流三號國內(nèi)首次實現(xiàn)原子核溫度 1.17 億度、電子溫度 1.6 億度，綜合參數(shù)聚變 三乘積實現(xiàn)大幅躍升，中國聚變挺進燃燒實驗。

（3）CFETR 有望填補 ITER 與商業(yè)堆之間的空白。中國聚變工程試驗反應(yīng)堆(China fusion engineering test reactor，CFETR)：是我國自主設(shè)計研 制并聯(lián)合國際合作的重大科學工程，旨在驗證聚變的可行性，并為未來商業(yè)化聚變堆的建設(shè)提供基礎(chǔ)。 其概念設(shè)計已于 2014 年完成，過程設(shè)計于 2017-2020 年由 CFETR 設(shè)計團隊開展，計劃于 2035 年前完 成建設(shè)，并于 2050 年開展試驗。 CFETR 旨在填補 ITER 與未來聚變商業(yè)示范堆(DEMO)之間的關(guān)鍵工程技術(shù)空白，直接面向未來核 聚變能源的實際應(yīng)用。 更高能量增益與穩(wěn)態(tài)運行：不僅要實現(xiàn)更高的能量增益(Q>10)，還將運行模式延長至穩(wěn)態(tài)運行，達到小 時級連續(xù)運行，這是未來商業(yè)發(fā)電必備的狀態(tài)。

解決燃料供應(yīng)難題：致力于實現(xiàn)氚自持，目標氚增殖因子 TBR>1.1，即聚變反應(yīng)每消耗 10 個氚就通過 增殖包層產(chǎn)生 11 個氚，要多出 1 是因為存在衰變等損耗，從根本上解決核聚變?nèi)剂瞎?yīng)這一卡脖子難題。 為商用電站提供數(shù)據(jù)支持：集成了熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，進行核聚變發(fā)電功能測試，為后續(xù)核聚變商用電站設(shè) 計提供至關(guān)重要的數(shù)據(jù)支持。 2025 年，我國聚變堆主機關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施（CRAFT，中文名“夸父”）——八分之一真空室及 總體安裝系統(tǒng)，正式通過驗收。CRAFT 裝置和 CFETR 之間的關(guān)系可以理解為實驗室與工廠的關(guān)系， 通過 CRAFT 裝置，科學家可以測試和優(yōu)化核聚變反應(yīng)堆的各個關(guān)鍵子系統(tǒng)，確保 CFETR 的設(shè)計和 運行達到預(yù)期目標。央視報道 CRAFT 預(yù)計于 2025 年年底全面建成，將成為國際聚變領(lǐng)域參數(shù)最高、 功能最完備的綜合性研究及測試平臺，將為聚變實驗堆和工程堆核心部件的研發(fā)及建設(shè)保駕護航。

（4）聚變-裂變混合堆實驗有望陸續(xù)落地。“星火”項目：2023 年 11 月，中核集團與江西省政府簽署《全面戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，聯(lián)創(chuàng)光電超導(dǎo)和 中核聚變（成都）簽訂協(xié)議，雙方攜手計劃聯(lián)合建設(shè)聚變-裂變混合實驗堆項目。2024 年 12 月，聯(lián)創(chuàng)光 電中標中核集團“星火一號”項目首個訂單，金額 4180 萬，標志著該項目正式啟動。根據(jù)規(guī)劃，“星火”項 目計劃在 2025 年完成聚變裂變混合堆實驗技術(shù)驗證，2029 年發(fā)出第一度電并入電網(wǎng)，2035 至 2040 年開始大規(guī)模商業(yè)化。 Z-箍縮(Z-FFR)：2008 年，中國工程物理研究院提出了 Z-FFR 概念，主要由 Z-箍縮驅(qū)動器、聚變靶 與爆室、深次臨界裂變包層等構(gòu)成。Z-FFR 的聚變功率大幅降低且中子更加富裕，有望綜合解決聚變氚 自持、高聚變增益、耐輻照損傷、裂變?nèi)剂显鲋?、超鈾元素嬗變等關(guān)鍵科學問題和工程挑戰(zhàn)。經(jīng)過了多 年的理論研究，2021 年用于驗證 Z 箍縮聚變點火的科學可行性“電磁驅(qū)動大科學裝置”項目獲得四川省發(fā) 改委立項，投資規(guī)模達到 50 億元。按照發(fā)展規(guī)劃，將在 2035 年開始建設(shè) 1000MW 級電功率 Z 箍縮聚 變裂變混合堆，2040 年進行發(fā)電演示，之后進入商業(yè)推廣階段。

2、民營企業(yè)

近年來，中國可控核聚變民營企業(yè)在政策引導(dǎo)與資本加持下加速崛起，形成國家項目與民營公司共同推 進的格局。以能量奇點、星環(huán)聚能、聚變新能、瀚海聚能、新奧集團為代表的民營企業(yè)，通過高溫超導(dǎo) 托卡馬克、場反位形（FRC）等前沿技術(shù)路徑，實現(xiàn)實驗裝置的快速迭代，并吸引中國核電等央企戰(zhàn)略 投資。盡管商業(yè)化仍需長期投入，但民營企業(yè)正通過技術(shù)國產(chǎn)化替代和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，逐步構(gòu)建可控核聚 變的完整生態(tài)，呈現(xiàn)出加速崛起的良好態(tài)勢。

二、市場空間

1、AI 將助力可控核聚變商業(yè)化加速實現(xiàn)

AI 在數(shù)據(jù)分析、智能預(yù)測、實時控制等方面的優(yōu)勢，正在成為推動核聚變研究和應(yīng)用進步的重要力量。 托卡馬克聚變裝置的難點之一就是精確控制和約束內(nèi)部的等離子體，而隨著人工智能的不斷發(fā)展，AI 在 核聚變科研中的應(yīng)用正變得日益廣泛和深入，從數(shù)據(jù)分析到模擬預(yù)測，再到控制反應(yīng)過程，AI 的技術(shù)正 在為核聚變研究帶來革命性的進展。以下是幾個典型應(yīng)用場景：

（1）數(shù)據(jù)解析與規(guī)律發(fā)現(xiàn)：核聚變實驗生成的數(shù)據(jù)量龐大且復(fù)雜，AI 配合機器學習算法能夠有效地處 理這些數(shù)據(jù)，并從中發(fā)現(xiàn)模式和規(guī)律，這一能力特別有助于分析等離子體的行為，揭示影響其穩(wěn)定性的 關(guān)鍵要素，并為控制等離子體以避免不穩(wěn)定現(xiàn)象提供策略； （2）實驗預(yù)測與過程模擬：AI 在理論物理與實驗物理之間架起了一座橋梁，利用 AI 模型對歷史實驗 數(shù)據(jù)進行學習，可以高效預(yù)測核聚變實驗的可能結(jié)果，從而縮短實驗周期，降低研發(fā)成本，幫助科研人 員更好地利用現(xiàn)有資源，降低能源消耗，同時 AI 模擬技術(shù)為研究人員提供了一個安全的實驗預(yù)演平臺， 幫助他們預(yù)測實驗的潛在結(jié)果和可能遇到的問題； （3）反應(yīng)堆設(shè)計革新：AI 的分析和預(yù)測能力不僅限于實驗數(shù)據(jù)，它們還參與到核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計階 段，運用 AI 算法研究人員能夠?qū)Ψ磻?yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、選用材料和冷卻方案等進行優(yōu)化，提升整個反應(yīng) 堆系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，顯著加快了設(shè)計從概念到實現(xiàn)的步伐； （4）對等離子體進行實時控制：核聚變過程中，等離子體的溫度、壓力、密度和磁場等參數(shù)需要被精 確控制，AI 能夠?qū)崟r監(jiān)測等離子體狀態(tài)，預(yù)測其行為變化，并自動調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，確保核聚變反應(yīng)的持 續(xù)穩(wěn)定，這種智能控制不僅提高了反應(yīng)的穩(wěn)定性和安全性，還大大減輕了科研人員的工作負擔； （5）故障預(yù)防與設(shè)備維護：AI 通過持續(xù)監(jiān)測核聚變反應(yīng)器的運行狀態(tài)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析，能夠預(yù)測潛在 的設(shè)備故障和性能退化，這種基于 AI 的預(yù)測性維護減少了意外停機時間，從而提升了核聚變反應(yīng)器的 運行安全性和經(jīng)濟效益。

AI 技術(shù)在等離子體控制方面取得重大進展。2022 年，谷歌旗下的 Deepmind 與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院 瑞士等離子體中心聯(lián)合，開發(fā)了一個人工智能深度強化學習系統(tǒng)，并成功實現(xiàn)對托卡馬克內(nèi)部核聚變等 離子體的控制，隨后在一年之后的 2023 年，Deepmind 宣布改進后的算法將等離子體形狀精度提高了 65%，并且將訓練時間減少了 3 倍。2024 年 2 月，普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的研究人員 在《Natural》上發(fā)表論文，宣布其使用美國聚變設(shè)施的實驗數(shù)據(jù)，訓練了一個可以預(yù)測等離子體不穩(wěn) 定性的人工智能模型，提前 300 毫秒預(yù)測了核聚變等離子不穩(wěn)定態(tài)，實現(xiàn)了對等離子體的超前干預(yù)，以 應(yīng)對等離子體的逃逸。這項工作成功證明了 AI 在有效控制聚變反應(yīng)方面的潛力，但這只是推動聚變研 究領(lǐng)域的第一步。

2、磁約束聚變堆市場空間廣闊，商業(yè)化后空間更大

經(jīng)測算，當前全球正在規(guī)劃中的托卡馬克聚變堆設(shè)備投資市場空間約 148 億美元，若考慮其他技術(shù)路線、 未來新增的聚變裝置規(guī)劃，市場空間更為廣闊。 具體測算方法：根據(jù)《IAEA WORLD FUSION OUTLOOK 2024》，當前全球聚變堆規(guī)劃數(shù)量為 45 座； 在現(xiàn)有的聚變裝置中，采用托卡馬克路線的數(shù)量占比約 50%，則規(guī)劃中的托卡馬克裝置約 22 座；參考 美國普林斯頓等離子體物理實驗室與美國能源部一同在 21 世紀初設(shè)計的名為“FIRE”的托克馬克項目的 成本預(yù)算，每座托卡馬克總投資額按 12 億美元計算，則上述 22 個托卡馬克裝置總投資價值量約為 268 億美元；其中，設(shè)備價值量占比約 55%，則由此計算得全球正在規(guī)劃中的托卡馬克聚變堆設(shè)備投資市場 空間約 148 億美元。此外，若考慮其他技術(shù)路線、未來新增的聚變裝置規(guī)劃，市場空間更為廣闊。 以上空間測算均基于聚變實驗堆，未來商業(yè)化后，商業(yè)堆價值量或更大，核聚變設(shè)備市場空間十分廣闊。