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发布时间：Mon, 24 Feb 2025 00:00:00 GMT
东吴证券可控核聚变系列深度②：新一代托卡马克的建成，是实现聚变点火的重要节点
投资要点
摘要
可控核聚变技术的实现一直是全球科技界的目标，但由于技术难度、研究进展的曲折性以及聚变点火的复杂性，至今尚未实现。本文将探讨可控核聚变的历史背景、ITER项目的挑战、商业聚变公司的定位及其代表企业，以及中国在核聚变研究中的主力军及其相关装置。最后，分析了可控核聚变实现的时间表及潜在风险。
正文
1. 可控核聚变的历史与挑战
追溯人类研究核聚变的历史，可控核聚变至今尚未实现，主要是由于技术难度、研究进展的曲折性以及聚变点火的复杂性等多方面因素的共同作用。
- 早期，人类在二战后开启了核聚变技术的探索，尝试了多种技术路径。
- 托卡马克技术在20世纪60年代脱颖而出并成为主流研究方向。
- 然而，20世纪80年代，科学家们发现等离子体中存在非线性微观不稳定性引发的湍流，导致反常输运现象，严重破坏了托卡马克对等离子体的约束效果，使得聚变点火的目标难以达成。
2. ITER项目的背景与挑战
ITER的诞生源于20世纪80年代核聚变研究的挫折，聚变点火的希望被寄托于下一代装置——ITER。然而，ITER的建设进程始终低于预期，主要原因是：
- 规模过大导致技术难题频发。
- 法国核安全局对辐射防护措施提出更高要求，暂停了组装工作。
- 供应链问题、监管僵局以及多国合作的协调难度也严重影响了项目进度。
- ITER项目涉及35个国家，各国在技术标准、资金投入和管理流程上存在差异，决策过程缓慢，科研团队在技术细节和设计理念上存在分歧，进一步增加了协调成本。
这些因素共同导致了ITER项目自启动以来多次延期、成本超支，建设进度远未达到预期。
3. 商业聚变公司的定位与代表企业
商业聚变公司的定位主要集中在通过技术创新和工程化落地推动核聚变技术的商业化应用，目标是实现聚变发电的经济性和可行性。这些公司致力于开发小型化、低成本的聚变装置，以加速技术迭代和降低研发风险。
- 代表性企业包括美国的Commonwealth Fusion Systems（CFS）公司，其通过高温超导磁体技术，显著缩小了托卡马克装置的尺寸，降低了建设成本和周期。
- 商业公司的发展逻辑普遍遵循“小装置、低成本、快速迭代”的原则，为核聚变技术的商业化提供了灵活的路径，推动行业按计划逐步推进，预计在2030至2040年间实现首次并网发电。
4. 中国核聚变研究的主力军及托卡马克装置
中国核聚变研究的主力军是中国科学院等离子体物理研究所和核工业西南物理研究院。
- BEST项目与HL-3项目分别是中科院等离子所与西南物理研究院正在建设或升级改造的托卡马克研究装置。
- 未来重点将在我国磁约束主力装置BEST与HL-3上开展与CFETR物理相关的验证性实验，为CFETR的建设奠定坚实的基础。
- CFETR的核心目标是实现可控核聚变能的工程验证与商业化应用，旨在弥合纯实验装置与未来聚变示范发电厂之间的技术鸿沟，推动聚变能源从实验室走向实际应用。
5. 可控核聚变实现的时间表
可控核聚变的实现时间难以确定，因为当前人类尚未突破多维技术瓶颈。尽管现有托卡马克装置取得了一定突破，但距离持续能量净增益仍差距甚远。
- 新一代托卡马克装置（如ITER、CFETR、SPARC）的建设旨在系统性验证这些物理参数的协同运行极限，其建设落地是实现聚变点火的重要节点。
- 然而，在未获取全参数运行数据前，基于现有实验结果外推时间表是不谨慎的。
- 从历史实验数据和当前进展来看，ITER与SPARC实现可控核聚变的可能性较高，但仍需时间和持续的技术创新。
结论
可控核聚变的研究虽然面临诸多挑战，但随着新一代托卡马克装置的建设和技术创新的推进，聚变点火的目标正逐步接近。ITER、CFETR等项目的进展将为核聚变的商业化应用奠定基础。然而，技术成熟度、市场需求不确定性以及商业化进程的缓慢仍是潜在的风险。
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