1、核聚变：终极能源，各国押注
1.1 AI驱动用电结构重构，聚变能源战略价值凸显
可控核聚变是全球能源转型的关键方向，具备解决长期能源供需矛盾的现实可行性。当前能源结构高度依赖化石燃料，但其储量有限、开采成本上升、环境代价巨大；可再生能源虽增长迅速，却受限于间歇性与不稳定性，难以承担基荷电力功能；核裂变则面临废料处理难、安全风险高及公众接受度低等问题。相比之下，聚变能具有能量密度高、原料储量丰富、安全性强等优势，被公认为最接近“终极能源”的技术路径。
据国际能源署《World Energy Outlook 2024》，风电、太阳能与核能等清洁能源将在2050年前占据主导地位；在净零排放（NZE）情景下，对下一代零碳能源如核聚变的技术替代与系统整合需求尤为迫切，政策窗口与产业机会持续打开。
氘氚聚变的能量效率极为突出：1克燃料释放能量相当于8吨汽油，能量密度超贫铀裂变4倍以上。氘广泛存在于海水中，每升海水可提取约30毫克氘，所产能量相当于340升汽油；全球海水中氘储量约45万亿吨，可供人类使用数百亿年；氚可通过中子轰击锂增殖，而锂在海水中的含量亦极为丰富。
环境友好性是聚变获得政策与资本双重青睐的重要原因：反应不排放二氧化碳或温室气体，产物主要为氦气；不产生长寿命放射性废料，堆体材料可在百年内回收再利用；无需铀、钚等易裂变材料，核扩散风险极低；等离子体失稳时自动冷却终止反应，无融堆风险。
全球主要经济体已将聚变提升至国家战略高度，形成“国际合作+本土竞争”双轨格局。ITER推动多国在工程标准与集成层面协同，中美欧日韩等则加速推进商业聚变路径，在装置性能、燃料循环与工程可实现性等关键环节展开角逐，聚变已成为大国科技博弈新焦点。
聚变研发具备显著外溢效应，带动材料科学、超导技术、精密测量、自动控制等前沿领域进步，并在医疗、航天等领域形成应用延伸，初步构建以聚变为核心的高科技产业集群。
下游应用端，聚变有望为高耗电行业提供稳定零碳电力支撑。麦肯锡《Global Energy Perspective 2024》预测，2023–2050年全球用电量复合增长率达3.5%，高于此前3.0%水平；数据中心用电占比预计2050年达5%–9%（约2500–4500 TWh），其持续性、高密度用电动态对能源稳定性提出更高要求。聚变可广泛应用于数据中心、重工业、电动交通与绿色氢能等领域，成为替代传统基荷电力的关键选项。
1.2 核聚变：巨大能量的来源与约束
核聚变指两个轻原子核结合成较重原子核并释放能量的过程，本质源于质量亏损，遵循爱因斯坦质能方程E=mc²。以氘氚反应为例，反应前后质量亏损0.0188u，释放17.6MeV能量，其中14.1MeV以中子动能形式释放，3.5MeV由氦核携带。
实现可控聚变需同时满足三大物理参数：等离子体温度（克服库仑斥力）、粒子数密度（提升碰撞概率）、能量约束时间（维持高能态）。三者乘积即“聚变三重积”，是衡量能量净输出能力的核心指标；劳森判据则明确了实现点火所需的最低阈值（氘氚反应约为5×10²¹ m⁻³·s·keV）。达此阈值后，α粒子自加热可维持反应，进入“自持燃烧”状态，标志着从科学验证迈向工程化的关键门槛。
因聚变需上亿摄氏度高温，物质完全电离为等离子体，必须通过有效约束防止逃逸。目前主流路径为磁约束与惯性约束，另有磁惯性约束作为创新方向；引力约束仅适用于恒星，不具备地面工程可行性。
磁约束利用外部磁场使带电粒子沿磁力线螺旋运动，实现长时间约束，托卡马克、仿星器与场反位形（FRC）为主要装置形态，其中托卡马克最成熟。核心挑战在于材料耐辐照性能与等离子体长期稳定性控制。
惯性约束则通过高能激光或粒子束在纳秒级压缩靶丸，使其达到极高温度与密度。典型代表为激光驱动与Z箍缩，需极高能量输入与精密时序控制，研究重点在于驱动对称性与靶丸制造精度。
磁惯性约束融合二者优势，通过预磁化等离子体+高速压缩延长约束时间、提升能量增益，典型方案包括磁化靶聚变（MTF）与磁化套筒惯性聚变（MagLIF）。其结构更紧凑、单位体积能量密度更高，已成为多家私营企业重点布局方向，当前仍处工程验证阶段，难点集中于压缩均匀性、磁场维持与稳定性优化。
聚变能量增益因子Q（输出/输入能量比）是核心工程指标：Q>1代表净能量输出，“点火”对应Q→∞理想状态。实现点火是科学可行性验证，达成净能输出并建成电站则是工程技术可行性验证。可控核聚变发展可分为原理探索、规模试验、燃烧实验、实验堆、示范堆、商用堆六阶段，当前整体处于实验堆向示范堆过渡期，商业化路径日渐清晰。
燃料选择上，氘氚（D-T）因反应截面大、点火温度低、能量释放高，成为主流路径。据聚变工业协会（FIA）《The global fusion industry in 2025》，72%商业聚变公司采用D-T路线；氘氘（D-D）、氘氦3（D³He）、氢硼（p¹¹B）等路径则在燃料可得性、中子辐射低或能量转化效率方面具备潜力，部分企业正开展商业化尝试。
1.3 2021年起产业融资额大增，技术路线多元化
近五年全球聚变领域股权融资显著增长：2021年单年突破25亿美元，Commonwealth Fusion Systems（CFS）完成创纪录18亿美元B轮融资；截至2025年7月，全球累计融资已达97亿美元。中国融资起步较晚但增速较快，2022年起明显加速，体现中美等主要经济体将可控核聚变列为重大战略方向。
技术路径呈现多元化态势。据FIA《The global fusion industry in 2025》，在51家受访企业中，磁约束方案占比约49%，惯性约束与磁惯性约束分别占22%和12%；主流装置类型包括仿星器、激光惯性约束、球形托卡马克、托卡马克与磁化靶等。
商业化节奏加快：45家受访公司中，78%预计2030–2035年间运行中试电站；41家公司中，76%预计2035年前实现电能并网。42家公司反馈的“2030年前主要挑战”中，聚变功率增益不足（Q值过低）居首，其次为融资难度、氚自持机制、中子辐射材料短缺及等离子体基础科学问题。
代表性项目/企业包括ITER、Commonwealth Fusion Systems、Helion Energy、TAE Technologies，后三者均已完成超十亿美元级别融资。
ITER计划（托卡马克路线）
ITER是为验证全尺寸可控核聚变技术可行性而设计的国际托卡马克实验堆，由欧盟、中国、美国、日本、韩国、印度和俄罗斯共同资助。项目于1985年提出，2007年正式生效，2010年启动场地建设，2020年启动重大工程安装。装置高24米、直径30米，等离子体体积840立方米，目标维持400秒、聚变能500兆瓦，能量增益Q≥10（最高可达30）。
原定2025年实现第一束等离子体、2035年启动氘氚实验，但受疫情及关键部件维修影响，新路线图已将氘氚实验推迟至2039年，额外成本达50亿欧元。
Commonwealth Fusion Systems（CFS）（高温超导托卡马克路线）
CFS由MIT等离子体物理团队于2018年创立，聚焦高温超导托卡马克技术，SPARC实验堆正于2025–2027年建设，目标实现Q>1；后续400MW级ARC商用堆计划2030年代初并网发电。截至2025年10月，累计融资超20亿美元。2024年12月与Dominion Energy签约弗吉尼亚州厂址；2025年6月与谷歌签署200MW购电协议；2025年9月与意大利埃尼集团签署超10亿美元售电协议。
Helion Energy（场反位FRC路线）
Helion成立于2013年，技术基于FRC等离子体结构，通过脉冲功率驱动对撞压缩实现聚变，采用氘-氦3无中子燃料。第七代原型机Polaris正推进中，第六代Trenta已实现超1亿摄氏度等离子体温度。2023年与微软签署全球首个聚变购电协议，约定2028年起交付50MW商用电力。截至2025年10月，累计融资超10亿美元。
TAE Technologies（场反位FRC路线）
TAE成立于1998年，专注氢硼（p‑B11）无中子聚变，旨在降低放射性产物与后处理成本。现运行设备Norm验证了新一代Copernicus原型机所需关键运行模式；Copernicus预计2030年前实现净能输出，后续推进Da Vinci原型堆建设。截至2025年10月，累计融资超14亿美元，最新一轮含雪佛龙、谷歌、NEA等参与的1.5亿美元融资。
2、国内：多路线百花齐放，步入招标大年
2.1 中国：从ITER参与者逐步向产业引领者转变
我国核聚变研究始于20世纪50年代，与国际同步；1972年起由中核集团前身（二机部）与中科院共同推进，形成“国家队”主导格局。1983年提出核能“三步走”战略（热堆→快堆→聚变堆）。2006年加入ITER计划，承担18个采购包，涵盖磁体支撑、气体注入、“第一壁”等核心部件；2019年中核集团牵头签署托卡马克主机安装一号合同。
我国自主装置EAST是ITER重要实验平台；中国环流三号（HL-3）已于2023年12月作为ITER卫星装置开放。中国磁约束聚变发展路线图明确：2025年前推动中国聚变工程试验堆（CFETR）立项并启动建设；2035年建成并开展实验；2050年启动商业聚变示范电站建设。
政策支持力度持续增强：《原子能法》草案二审稿新增条款，明确“国家鼓励和支持受控热核聚变的科学研究和技术开发”，并建立“符合聚变特点、促进应用”的分级分类监管制度，为技术创新与工程化提供制度保障。
2.2 “国家队”牵引大项目落地，民企多路线尝试活跃
“国家队”以中科院等离子体物理研究所、核工业西南物理研究院为主导，聚焦磁约束托卡马克，项目体量大；民营企业则路线多元、装置紧凑，涵盖高温超导托卡马克、球形托卡马克、磁镜、仿星器等。
主要在建项目包括：
1）安徽BEST项目（依托中科院等离子体所，聚变新能公司建设）：磁约束托卡马克路线，处于工程总装阶段，总投资约百亿级；中国聚变工程示范堆（CFEDR）已启动方案设计，投资约千亿级。
2）中核集团系列项目：环流三号正升级；“星火一号”聚变—裂变混合堆（高温超导路线），总投资超200亿元；中国聚变能源有限公司（注册资本150亿元）于2025年7月成立，9月宣布将在上海建设“中国环流四号”。
3）天府创新能源研究院规划Z箍缩驱动聚变裂变混合堆（Z-FFR）。
4）上海交大李政道研究所张杰院士团队规划激光聚变项目。
5）能量奇点、星环聚能、新奥科技、瀚海聚能等民企布局多类技术路线。
2.3 规划项目投资额超1500亿元，步入招标大年
国内聚变项目多处于实验堆或向工程堆过渡阶段，目标为验证技术可行性并实现演示发电。多数路线预计2027年前后进入工程示范堆建设期，2035年前完成；球形托卡马克、FRC等部分路径有望2030年左右完成工程示范堆。商业化发电普遍预计于2040年后实现。
据公开信息测算，国内已规划或在建项目总投资逾1500亿元；2025–2027年预计投资分别为149亿、245亿、174亿元，产业即将进入招标高峰期。随着实验堆技术验证持续推进，2027年起有望全面迈入工程实验堆建设期，装置体量与投资规模将进一步扩大，产业链核心供应商将持续受益。
3、核聚变装置高价值量环节分析
以ITER为例，主流托卡马克装置由五大核心部件构成：磁体系统（万吨级超导磁体，用于启动、约束与控制等离子体）；真空室（不锈钢密封环形容器，为反应主场所及首道安全屏障）；包层（屏蔽高能中子，保护外围结构）；偏滤器（位于真空室底部，排出废气与杂质，承受最高热负荷）；低温恒温器（环绕真空室与磁体，确保超低温真空环境）。外围还包含加热与电流驱动、诊断、低温、冷却、燃料加注、真空及电源等支持系统，协同维持1.5亿摄氏度等离子体。
价值构成高度集中于磁体系统（约28%）、真空室及内部组件（真空室8%+包层/偏滤器等17%）、电源系统（15%，含加热与电流驱动）三大环节。其中磁体成本最大，超导材料为核心价值点；包层与偏滤器合计占比高，反映聚变堆对高温、强辐照材料的严苛要求；电源系统稳定性与响应能力直接关系等离子体高性能维持。
3.1 磁体系统：价值量占比最高，看好高温超导技术应用
磁体系统是磁约束装置核心，磁场强度与均匀性直接影响整机性能。托卡马克超导磁体包括纵向场（TF）、中心螺管（CS）、极向场（PF）及校正场（CC）线圈，分别承担等离子体约束、激发、稳定与调控功能。
聚变功率与磁场强度呈四次方关系，高温超导材料（临界温度Tc≥40K）因可在液氮温区（77K）运行、制冷成本低、场强上限高，成为关键材料。第二代高温超导带材REBCO综合性能最优，具备高临界温度、高载流能力、高临界场强及力学强度，已实现工业化量产。
高温超导推动紧凑型托卡马克崛起：2018年起，MIT与CFS首次研制全REBCO线圈托卡马克，结合AI控制提升磁场与约束能力，显著缩小尺寸、降低成本与周期，催生商业化公司集群式发展。CFS SPARC装置磁体全部采用REBCO，环向磁场达12.2T；其TFMC线圈测试已实现20T以上中心磁场。
高温超导磁体应用分为全超导式（如CFS SPARC）与内插式（如欧盟DEMO、中国CFETR中心螺管线圈），后者将REBCO内插于Nb₃Sn/NbTi低温超导磁体中，以获取20T以上高场。
上游高温超导带材产能集中：第一梯队为上海超导与FFJ（年产量超1000公里）；第二梯队含SuperPower、Fujikura等（年产量数十至数百公里）；第三梯队仍处研发或样品阶段。据上海超导招股说明书，2024年高温超导材料下游应用中，磁体占比49.3%，其中用于可控核聚变磁体的部分占高温超导总应用的38%。
仿星器路线对磁体系统要求趋严：虽与托卡马克总体建设成本相近，但其三维结构复杂、装配精度与模块化要求更高，磁体价值量存在进一步提升空间。
3.2 真空室及内部件：首道安全屏障，设计制造壁垒高
ITER真空室为双层D形截面不锈钢结构，外径19.4米、高11.3米，总重约5200吨，划分为9个40°扇区。每个扇区尺寸公差±20mm，含184个Housing与160米加强筋板，焊缝总长1000米，平均焊缝密度10m/m²，远超常规容器；材料利用率仅30%。其与冷屏、磁体间距须控制在50mm内，热胀冷缩导致制造精度要求极高，面临成型精度低、焊接变形大、无损检测空间受限、磁导率控制难等多重挑战。
偏滤器位于等离子体与固体材料交界区，负责偏滤带电粒子、排出杂质与氦灰、承受最高热负荷；包层系统吸收中子与热通量、提供热屏蔽；第一壁（FW）直面等离子体，由铍瓦（抗溅射）、CuCrZr热沉（高效导热）与316L(N)不锈钢背板（结构支撑）三层冶金结合而成，工艺为制造核心。
3.3 电源系统：FRC、Z箍缩等路线中价值量提升
电源系统在托卡马克中至关重要，功能包括：为微波/中性粒子加热装置供能；为各超导线圈导通电流以产生磁场；为辅助系统供电及磁体失超保护。ITER电源系统含稳态高压变电站（SSEN）、脉冲高压变电站（PPEN）、磁体电源（CPS）、辅助加热电源（HPS）及无功补偿系统等。SSEN总功率约180MW；PPEN总变流器容量达4600MVA，含44套电源系统。
辅助加热系统（ICRF、LHCD、ECRF、NBI）是实现自持燃烧必要手段，依赖高压直流电源供电，对电压、容量、精度、纹波与响应速度要求极高。脉冲阶梯调制（PSM）电源因其高精度、高效率与快速关断能力，成为ITER及中国EAST、HL-2A等系统的主流选择。
无功补偿与滤波系统用于抑制磁体及加热电源引发的谐波与无功冲击。ITER该系统容量达750Mvar，为世界最高电压、最大容量，中国承担其中3套（单套250Mvar/66kV/50Hz）的设计制造任务。
FRC路线因等离子体自组织产生内部磁场，对外部磁体依赖大幅降低，但其形成与维持高度依赖高性能脉冲功率系统，电源系统价值占比相应上升。以KMAX-FRC为例，θ-pinch线圈驱动基于电容储能脉冲放电技术，需多组电容、空心电感、高压开关与专用馈通电极构成完整回路，并配套屏蔽、接地与实时监测系统。
Z箍缩对电源性能要求最为严苛：桑迪亚Z装置依靠36组Marx发生器（每组60个电容），单电容充至±90kV储能632kJ，总储能超22MJ，能量可在1.3μs内注入，峰值功率达80TW，输出26MA稳定电流。在Z-FFR聚变裂变混合堆中，驱动器价值占比约33%，若剔除裂变侧，该比例升至约50%，为绝对核心投入环节。
可控核聚变作为被寄予厚望的“人类终极能源”，其核心价值在于以氘、氚等清洁原料为基础，反应过程零碳排放、无长寿命高放射性废料，兼具资源无限性与环境友好性，有望从根本上解决全球能源短缺与气候危机难题，已成为全球能源领域的战略必争之地。
技术层面已实现关键突破：美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室实现“净能量增益”，中国EAST创高温长脉冲运行纪录，标志聚变正从理论探索迈入工程化验证关键转折。行业资本开支进入明确扩张期——能源巨头、科技领军企业及专业投资机构加速入场，不仅推动磁约束、惯性约束等主流路线迭代，更催生一批聚焦核心设备、先进材料与智能控制的细分领域企业，产业链雏形逐步成型。
当前挑战集中于工程化瓶颈：高温耐受材料、长时间能量约束稳定性、高效能量转化系统仍待突破；前期投入大、回收周期长亦考验资本持续性。但“双碳”目标驱动的能源转型需求、各国政策强力扶持及前沿技术融合带来的突破可能，共同构成行业扩张的核心驱动力。
可控核聚变商业化虽仍需数十年深耕，但资本扩张已按下“加速键”。这一进程不仅是能源技术革命，更将重塑全球能源格局、推动高端制造业升级。技术突破速度决定发展节奏，产学研用协同与跨领域融合创新，将成为破解难题的关键。当聚变真正实现商业化运行之日，人类将迈入清洁、高效、永续的能源新纪元；当下每一笔技术与资本投入，都在为这一愿景筑牢基石。
本文来源：未来智库