（報告出品方/作者：天風證券，朱曄）
人造太陽，未來可期
可控核融合——未來能源唯一方向
可控核融合，本質是模擬太陽內部發生的氫核融合反應。太陽之所以有源源不斷的能量，就在於其內部一直在進行大量 的核融合。核融合又稱核融合，是一種小品質原子的原子核互相聚合生成中子並伴著巨大能量釋放的熱核反應，可以產 生大量的能量。可控核融合意味著人們可以控制核融合的開啟和停止，核融合的反應速度和規模可以隨時被調控，相當 於可控的人造太陽。
核分裂反應爐發電是全球化趨勢，但不是長久之計。傳統的核子反應爐采用核分裂釋放出的熱能代替煤炭燃燒生熱，進而 透過鍋爐加熱水，帶動渦輪發電機進行發電。核分裂的原理是用低濃度鈾235作為原料，用中子撞擊一個鈾235原子進 而釋放兩個中子形成鏈式反應，持續放出能量。雖然核分裂發電相比傳統煤炭發電燃料效率更高、更清潔，但核廢料問 題尚未解決，且鈾儲量有限，不滿足人類永續發展要求。
核融合反應三要素——溫度、密度、能量約束時間
相比核分裂的鏈式反應，核融合需要滿足的外部條件十分苛刻。一是足夠高的溫度，需要施加大約1億℃高溫才能將兩 個原子核變成電漿，該溫度相當於太陽核心溫度的10倍，這對反應容器的耐受溫度提出極限挑戰；二是一定的密度， 這樣兩原子核發生碰撞的機率就大；三是一定的能量約束時間，電漿在有限的空間裏被約束足夠長時間，以獲得凈 功率增益，即產生的融合功率與用於加熱電漿的功率之比率。核融合至少需要做到穩定執行240h才具備商業價值， 而2023年4月創造的最高紀錄是EAST達到的403秒穩態高約束電漿。
三者的乘積稱為融合三乘積。根據勞遜準則，只有融合三乘積大於一定值，才能產生有效的融合功率輸出。
可控核融合的三條技術路線
要獲得持續的核融合能，除了滿足嚴苛的外部條件，還要對高溫融合物質進行約束，延長可控融合反應時間。解決 可控核融合主要有三種：磁約束、慣性約束和重力約束。其中重力約束在地球上無法實作，慣性約束由於電-雷射轉 化損耗極高暫不具備開發前景，磁約束能量轉化效率更高，是更具發展潛力、更成熟的路線。
重力約束主要是靠強大的萬有重力來提供對融合燃料的約束力。比如太陽的核心溫度達1500萬°C，巨大的品質 （品質為地球33萬倍）形成巨大的萬有重力使外層的氫不斷往中心擠壓，形成極高的密度，在高溫和高壓的作用下， 氫核裸露，再加上太陽有足夠長的能量約束時間，使得核融合反應得以持續發生。
NIF的四次點火實作核融合的重大突破。美國國家點火裝置（NIF）是美 國勞倫斯·利佛摩國家實驗室（LLNL）下屬的一個大型實驗設施，是 世界上最大的雷射融合裝置，透過聚焦雷射束到微型燃料球上，能夠產生 高溫高壓的環境，實作核融合反應。點火，就是指融合反應堆釋放的能量 超過了輸入的能量，這是可控核融合技術的一個重要指標。NIF的主要組成部份是192個雷射束線，每條雷射束線都可產生高達500 兆焦耳（MJ）的脈沖能量。當這些雷射束線同時聚焦在一個小球上時， 可以形成數十億度的高溫和高壓條件。 NIF的雷射器雖然強大，但是效率很低。每次點火都需要消耗大量的電力， 而且只能持續幾十億分之一秒。要實作永續的核融合反應，還需要更高 的能量增益，更穩定的反應過程，更經濟的執行成本。
磁約束是指用磁場約束電漿的運動，從而實作核融合的方式。以提高溫度為突破口，融合燃料在極高溫下會完全電 離為由原子核和自由電子組成的電漿，讓這團電漿置身於強磁場的空間，帶電的原子核與電子在垂直於磁場方 向不再自由只能沿著磁場方向做回旋運動，從而受到約束，將高溫的燃料與反應容器隔絕開。磁約束核融合常用的實作方式是托卡馬克和仿星器。托卡馬克在保持電漿溫度方面更出色，而仿星器在保持等離子 體穩定方面更出色。環形托卡馬克被普遍認為是最有希望實作可控核融合的裝置，也是目前主流的研究方向。中國的東 方超環（EAST）和國際熱核融合實驗堆（ITER）均利用其來嘗試實作核融合反應過程。 「托卡馬克」的名字由俄文中環形、真空室、磁、線圈四個詞的前幾個字母組成，透過在環形真空室中構造出一個閉合 的螺旋磁場，完成對高溫電漿的約束，融合燃料在周而復始的運動中完成核融合反應。
聚勢而強，核計畫遍地開花
核融合產業鏈
核融合產業鏈的上遊主要是原料供應，覆蓋有色金屬(鎢、銅等)、特種鋼材、特種瓦斯(急)等原料供應。 中遊覆蓋融合技術研發、裝備制造(第一壁、偏濾器、蒸汽發生器、超導磁線圈等元件)及仿真、控制軟體的開發。 下遊核電建設和營運，主要目標市場為發電。
核融合產業發展帶動超導磁體的需求
超導磁體是托卡馬克關鍵組成部份。所有托卡馬克的終極目標是將氘氚融合原料加熱到點火點或更高的溫度，並加以控 制地持續盡可能長的反應時間，以追求連續的融合能量輸出。即使采用導電性良好的銅作為導體繞制線圈，由於電流巨 大線圈不可避免地存在發熱問題，從而限制了磁約束核融合的長時間穩態執行。由於超導體具有零電阻效應，且承載電 流密度更高有利於建造更加緊湊、更高場強的融合裝置，因此可以極大提升電漿的約束時間，有效改善長脈沖穩態 執行。
超導磁體幾乎占托卡馬克總成本的一半。基於高溫超導材料的強磁場小型化托卡馬克技術路線有望大幅降低融合裝置成 本，建設期或將縮短到3至4年，大幅縮短技術叠代周期，使融合發電初步具備商業化潛力，核融合能研發進入工程可行 性階段，同時可控核融合實驗也將帶動超導磁體需求的增加。
全球各國積極布局核融合產業
中國已確定以磁局限融合作為核融合技術發展的主要路線，其中關鍵技術已達到全球領先水平。中國可控核融合研究 始於20世紀50年代中期。1994年，建成了第一台超導托卡馬克裝置HT-7。2002年，建成了具有偏濾器位形的中國 環流器二號Ａ裝置（HL-2A），2006年，世界上第一台全超導托卡馬克裝置東方超環（EAST）首次成功放電。 2008年至2023年11月20日，中國國家磁約束核融合能發展研究專項共部署220個計畫，總計安排經費約60億元，取 得多項國際和國內第一的研究成果。
可控核融合計畫頻出
國際熱核融合實驗堆ITER是當今世界規模最大、影響最深遠的國際大科學工程之一。其目的是透過建造反應爐級核聚 變裝置，驗證和平利用核融合發電的科學和工程技術可行性，是人類受控核融合研究走向實用的關鍵一步。該計劃由中 國、歐盟、俄羅斯、美國、日本、南韓和印度等七方30多個國家共同合作，中國於2006年正式加入ITER計劃，是中國 以平等、全權夥伴身份參加的迄今為止規模最大的國際科技合作計畫，中國在ITER計畫中負責18個采購包的實物貢獻， 約占9%。
ITER可分為主體部份、配套系統。主體部份研制難度大，主要包括磁體系統、真空室、真空杜瓦、包層模組、偏濾器 五個部份。配套系統需支撐龐大的裝置運轉，復雜性強，主要包括電源系統、加熱與電流驅動系統、冷卻水系統、診斷 系統、低溫系統等。
風口已至，展望未來
核融合市場乘風而上
核融合產業公司數量快速增加，有越來越多的團隊選擇加入融合產業，技術路徑也越來越多元化。公司數量從2022年33 家增長到2023年接近50家，一年內有3家結束，13家新增。 融合公司的地理分布也很廣泛，共分布在12個國家，美國公司數量繼續位居第一，達25家，是行業發展的主導市場，有 2家公司位於中國，即新奧科技發展公司和能量奇異點公司。 融資總額持續增長。截至2023年，全球融合公司累計融資超過62億美元，比2022年的48億美元增加了約14億美元，增 幅達27%。盡管面臨通脹和利率上升等宏觀環境壓力，投資者對融合能商業套用的興趣和支持仍在穩步增長。
高溫超導技術不斷突破，相關企業積極布局可控核融合領域。2023年12月29日，由25家央企、科研院所、高校等 組成的可控核融合創新聯合體正式宣布成立，標誌著國家及其他社會團體對於可控核融合的重視程度及投入力度的 進一步提升，中國可控核融合進展加速。
未來發展任重道遠
核融合「可控」和「商業化」依然道阻且長。根據科爾尼管理咨詢，「核融合技術需要幾十年的時間才能取得規模性的 商業運用，各類挑戰將繼續阻礙核能源在未來五年內作為替代性可再生能源的行程」。 現階段技術發展仍處於培育期，真正實作「可控」和「商業化」還需攻克技術、材料、工程等多重難題。
報告節選：
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精選報告來源：【未來智庫】。未來智庫 - 官方網站
