文章摘要
可控核聚变被誉为人类终极能源，正从科学验证阶段加速迈向工程示范与商业化。中信建投证券于2026年7月14日发布《未来产业投资地图系列之”可控核聚变”》深度研报，系统梳理了可控核聚变的技术原理、产业链结构、价值分布与关键挑战。本文基于该报告，结合权威数据与行业动态，对数万字的原始研报进行深度解读，完整呈现可控核聚变行业的技术路线图、产业链全景、投资价值分布与商业化时间表。
一、为什么可控核聚变被称为”终极能源”？
1.1 核聚变的基本原理
核聚变是指在超高温、高压条件下，质量较小的原子核互相聚合，生成更重的原子核，同时释放巨大能量的反应。目前已知的核聚变类型主要有四种：氘-氚（D-T）聚变、氘-氦3（D-³He）聚变、氢-硼（p-¹¹B）聚变以及氘-氘（D-D）聚变。其中，氘氚聚变被公认是当前最容易实现聚变能的技术路线，也是全球主要实验装置（如ITER）的首选方案。
1.2 核聚变能的四大核心优势
中信建投报告指出，可控核聚变具备四大无可比拟的优势，使其成为人类理想的终极能源形态：
（1）能量密度极高
能量密度是核聚变最突出的特征。报告数据显示：
| 等效能值 | 1千克氘（D）的能量当量 |
|---|---|
| 相当于铀-235 | 4千克 |
| 相当于汽油 | 7,000吨 |
| 相当于煤 | 10,000吨 |
| 相当于海水 | 1千克海水 ≈ 210千克（300升）汽油 |
每公斤海水中含氘（D）约0.03克，即使考虑全球能源消耗持续增长，地球海水中的氘储量足以供人类使用数百亿年。
（2）原料近乎无限
- 氘（D）：可从海水中直接提取，每公斤海水含氘0.03克
- 氚（T）：可通过中子轰击锂-6人工制取
- 聚变燃料在全球分布均匀，不受地缘政治约束
（3）清洁低碳
核聚变反应不产生温室气体，不产生高放射性长寿命核废物，是真正的绿色基荷能源。
（4）固有安全性
与核裂变不同，核聚变反应具有自限性——一旦等离子体约束条件被破坏，反应会立即终止，不存在堆芯熔毁风险。
1.3 全球能源储量全景对比
中信建投报告提供了一份全球各类能源储量近似估计（单位：ZJ，1ZJ=10²¹焦耳），直观展示了核聚变能在储量维度上的压倒性优势：
表1：世界能源近似估计（1ZJ = 10²¹J）
| 能源类别 | 可经济开发量（ZJ） | 储量（ZJ） |
|---|---|---|
| 化石能源 | ||
| 煤 | 20 | 290–440 |
| 石油 | 9 | 17–23 |
| 天然气 | 8 | 50–130 |
| 核裂变能 | ||
| U-238 + U-235 | 260 | 1,300 |
| Th-232 | 420 | 4,000 |
| 核聚变能 | ||
| 海水中锂 | — | 1.40×10¹⁰（140亿ZJ） |
| 陆地上锂 | — | 1,700 |
| 氘（D） | — | 1.60×10¹⁰（160亿ZJ） |
| 可再生能源（年技术潜力） | ||
| 太阳能 | — | 62–280 ZJ/年 |
| 风能 | — | 1.3–2.3 ZJ/年 |
| 生物质能 | — | 0.16–0.27 ZJ/年 |
| 地热能 | — | 0.8–1.5 ZJ/年 |
| 海洋能 | — | 3.2–11 ZJ/年 |
| 水能 | — | 0.06 ZJ/年 |
关键发现： 核聚变燃料（氘）的储量约为1.60×10¹⁰ ZJ，是所有化石能源总储量的数千万倍，也远超所有可再生能源技术潜力的总和。从储量维度看，聚变能是人类唯一真正”取之不尽”的能源选项。
二、核心科技指标：什么是”点火”的门槛？
2.1 劳森判据（聚变三乘积）
实现可控核聚变并非简单地”把温度升到足够高”。报告详细阐述了实现聚变能的物理条件——劳森判据（Lawson Criterion）：
聚变三乘积 = 等离子体温度 × 粒子密度 × 约束时间
- 氘氚聚变理想温度：约 1亿℃至2亿℃（约为太阳核心温度的10倍）
- 点火门槛：聚变三乘积大于 5×10²¹ m⁻³·s·keV 时，聚变输出功率 ≥ 输入功率
- 三个参数之间存在权衡关系——提高任何一项可以降低对其他两项的要求
2.2 能量增益因子Q：商业化分水岭
能量增益因子Q是聚变反应输出能量与输入能量之比，是衡量聚变装置性能的最核心指标：
| Q值 | 物理含义 | 工程意义 |
|---|---|---|
| Q = 1 | 聚变输出功率 = 加热输入功率 | “科学收支平衡”（Breakeven）——2022年美国NIF已实现 |
| Q > 5 | 等离子体自持燃烧 | 反应堆可自我维持 |
| Q ≥ 10 | 电站开始有经济收益 | 公认的商业化门槛 |
| Q ≥ 30 | 具备商业竞争力 | 可与现有能源在成本上竞争 |
核心结论： 中信建投报告明确指出，商业聚变堆至少需要Q值达到10。当前全球主要实验装置正在向这一目标迈进，以ITER为代表的大型托卡马克装置目标Q≥10。
三、技术路线全景：三条路径，谁主沉浮？
3.1 三大主流技术路线
报告详细梳理了可控核聚变的三种主要约束方式：
表2：核聚变主要技术路线对比
| 路线 | 约束方式 | 代表装置 | 核心优势 | 核心挑战 |
|---|---|---|---|---|
| 磁约束（MCF） | 强磁场约束高温等离子体 | 托卡马克（ITER、EAST）、仿星器（W7-X） | 工程成熟度最高，数据库完备，国际合作深入 | 项目周期长，投资规模大，建设成本高 |
| 惯性约束（ICF） | 高能激光/粒子束压缩，等离子体自身惯性约束 | NIF（美国）、LMJ（法国） | 单脉冲能量密度极高 | 重复频率低，连续发电难度大 |
| 磁惯性混合约束 | 同时利用外部磁场 + 等离子体自身惯性 | FRC（场反位形）、Z-FFR（Z箍缩混合堆） | 绕过传统工程瓶颈，紧凑低成本 | 技术验证尚处早期 |
3.2 四种主要装置类型详解
（1）托卡马克（Tokamak）—— 当前绝对主流
托卡马克是国际公认的主流技术路线，其名称源自俄语”环形（toroidal）”+“真空室（kamera）”+“磁（magnet）”+”线圈（kotushka）”的组合，由苏联库尔恰托夫研究所于20世纪50年代提出。
- 工作原理：在环形真空室中构建闭合螺旋磁场，约束高温等离子体
- 核心规律：约束性能极大取决于装置半径R和磁场强度B——大尺寸/强磁场是关键
- 工程挑战：增大尺寸与成本矛盾，增强磁场需超导磁体
截至2026年，全球托卡马克代表装置包括：欧洲JET、美国TFTR、日本JT-60U、中国EAST（东方超环）及全球合作的ITER。
（2）仿星器（Stellarator）—— 天然稳态运行
仿星器通过复杂的三维线圈产生扭曲的三维磁场结构来约束等离子体，其等离子体电流极小，无托卡马克的大电流破裂风险，天然适合稳态运行。但其磁体与真空室的三维结构极为复杂，对加工精度要求极高，代表性的有德国Wendelstein 7-X。
（3）惯性约束装置
利用高能激光（如美国NIF的192路激光）对聚变燃料小球进行内爆压缩，使其达到高温高密度条件实现聚变。2022年12月，美国NIF首次实现了Q>1的科学收支平衡，验证了惯性约束聚变的科学可行性。
（4）场反位形（FRC）—— 紧凑型新星
FRC是直线型磁惯性约束装置，具有高比压、易转移、可直接发电等优点，系统结构相对简单、造价与运行成本低、商业化潜力大。中国商业公司瀚海聚能正积极布局这一路线。
—— 三种氘氚聚变D-[聚变-裂变装置]方案能协同促进：
3.3 聚变-裂变混合堆：过渡选项
报告还论述了聚变-裂变混合堆（Z-FFR）这一”折中方案”：
| 维度 | 特点 |
|---|---|
| 核心思路 | 用聚变产生的高能中子驱动裂变包层，实现能量倍增并生产氚 |
| 优点 | ①可利用天然铀/钍/乏燃料 ②换料周期长 ③降低纯聚变指标要求 ④次临界，固有安全性高 |
| 缺点 | ①需兼容聚变氚系统和裂变燃料包层系统，工程难度大 ②放射性废料几乎与裂变堆相同 |
四、三大科学技术难题与三大工程应用难题
4.1 科学技术层面的三大挑战
中信建投报告系统性地归纳了当前可控核聚变面临的六项核心挑战：
（1）等离子体稳态自持燃烧
这是聚变堆最核心的科学问题。需要攻克等离子体加热约束、α粒子输运损耗、非感应电流驱动、宏观不稳定性调控等核心科学问题。简单来说，就是如何让上亿度的”人造太阳”持续稳定地燃烧而不熄灭。
（2）聚变堆结构材料
堆芯第一壁、包层、偏滤器等关键部件需耐受高能聚变中子辐照与高热负荷。报告特别强调”氦脆效应”——聚变中子诱发的氦元素在材料中聚集，易造成机械性能退化，需研发抗辐照、耐高温、低活化的专用结构材料。
（3）氚增殖与自持循环
氚在自然界几乎不存在，必须通过中子轰击锂-6人工生产。报告明确指出：现阶段燃烧率偏低，氚循环处理量大，包层设计需统筹中子核反应与热工水力特性，且高温环境下氚渗透风险突出。
“氚自持”定义： 聚变装置依托堆内氚增殖包层、氚提取回收、等离子体燃料供给构成完整闭环氚燃料循环，装置自身年产氚总量能够覆盖全部氚损失，实现堆内氚供需动态平衡、燃料自给自足，无需长期依赖外部外购氚。