引言
当全球聚焦于美国NIF的“点火”突破与中国EAST的长脉冲运行时，人们往往忽视了这些里程碑背后的庞大支撑体系。每一次等离子体的稳定约束，每一秒能量增益的提升，都由数万个精密部件、数十个技术领域与上百家企业共同支撑。可控核聚变已不再是单纯的实验室科学，而是演变为一场跨越材料、物理、工程与能源的系统性工业革命。从纳米级的超导涂层到数千吨的真空室结构，从微米精度的磁体线圈到耐受亿度高温的装甲材料，这条产业链的技术密度与复杂度，定义了其独特的挑战与机遇。
01 产业链总览
1.1核心结构
当前产业链呈现出清晰的三层结构：
上游：以核心材料和关键部件为主，包括超导材料、第一壁材料、氚燃料循环系统、偏滤器、大功率电源等，是产业链技术壁垒最高的环节，直接决定聚变装置的性能上限与安全边界。
中游：聚焦装置设计、系统集成与工程化，涵盖聚变堆总体设计、磁体系统集成、诊断与控制系统开发等，是衔接上游供应与下游应用的核心枢纽，考验企业的系统整合能力与工程化经验。
下游：涵盖聚变能源的终端应用与配套服务，包括核聚变发电站运营、太空推进、工业制氢、同位素生产等，是产业链价值最终兑现的环节，随技术成熟将形成多元化市场格局。
1.2 价值分布与演进趋势
不同阶段产业链价值重心持续迁移：
现阶段（2024-2030年）：价值集中于上游核心材料（占比约40%）和中游设备集成（占比约50%），研发投入与部件制造是主要价值来源。2024年全球商业聚变领域融资规模突破70亿美元，同比增长65%，资本高度集中于高温超导、聚变堆集成等硬科技环节。
中期（2030-2040年）：随着示范堆建成与商业化落地，中游工程化价值占比进一步提升，下游运营服务开始萌芽，价值逐步向“集成+运营”双核心转移。预计此阶段全球将出现首批并网示范堆，单座电站投资规模达50-100亿美元，中游集成环节进入价值爆发期。
长期（2040年后）：商业电站规模化运营后，下游电力运营将成为价值主体（占比超60%），上游材料和中游设备形成稳定的配套供应链，价值占比趋于均衡。据行业预测，2050年全球聚变能源市场规模将达2.3万亿美元，成为主流能源供给方式之一。
1.3 产业成熟度
从产业成熟度来看，目前整体处于“科研向产业化过渡”的关键阶段：
常规部件（如普通电源、基础机械结构）已具备商业化供应能力；
核心部件（如高温超导带材、第一壁组件）处于“样品验证向量产过渡”阶段；
关键系统（如氚增殖包层、先进诊断设备）仍需重大技术突破。
02 上游：原材料与核心部件
2.1 超导材料
超导材料是磁约束聚变装置的核心，用于制造强磁场线圈，占装置总成本的40%以上，其性能直接决定磁场强度、装置体积和运行效率。
技术挑战与成本趋势
核心挑战：高温超导带材长距离均匀性（千米级波动<1%）、超导接头低电阻连接（<1nΩ）、大规模线圈失超保护。
成本趋势：2024年高温超导带材成本降至120-150美元/千安米，预计2028年与低温超导持平（50美元/千安米），推动全面替代。
2.2 第一壁材料
第一壁材料是聚变装置中直接面对上亿度等离子体的核心部件，相当于“人造太阳”的外壳，需承受极端严苛的工作环境，是制约装置寿命和安全运行的关键。
极端工作环境与性能要求
热负荷：等离子体冲击带来的热流密度达10MW/m²，相当于每秒在1平方米面积上燃烧10公斤汽油；
中子辐照：14.1MeV的聚变中子会造成材料原子位移（dpa达数十至上百），导致材料脆化、肿胀；
氚滞留与腐蚀：需控制放射性氚的渗透和滞留，同时抵御等离子体中杂质的腐蚀；
核心指标：高熔点（>3000℃）、低热膨胀系数、抗中子辐照稳定性、低氚滞留率。
材料体系演进：
第一代：石墨/碳-碳复合材料（耐高温但抗辐照差，已淘汰）；
第二代：金属单层材料（钨因高熔点3422℃成为主流，但低温脆化）；
第三代：三明治结构（钨装甲+铜合金热沉+钢支撑），解决脆化与散热问题，美国CFS SPARC装置采用此方案，预计寿命达1000小时；
下一代：SiC/SiC复合材料（耐高温、抗辐照、低氚滞留，但工艺复杂、成本高）。
2.3 氚燃料循环与增殖剂
氘氚聚变是当前最成熟的聚变反应路径，但氚在自然界中丰度极低（仅为10⁻¹⁵%），无法直接开采，必须通过“增殖”实现自持，氚燃料循环系统因此成为商业化聚变电站的必备核心。
燃料特性与获取方式
氘（D）：海水中天然存在，丰度0.015%，通过电解或蒸馏法提取，技术成熟、成本低廉，1立方米海水可提取约30克氘，足以满足1000度电的聚变需求；
氚（T）：放射性同位素，半衰期12.3年，天然存量极少，主要通过人工制备：一是利用核反应堆中子辐照锂靶生产（当前主流方式）；二是在聚变堆中通过中子与锂反应在线增殖（未来商业化路径）。
目前全球氚产量约为200克/年，主要由加拿大布鲁斯核电站、俄罗斯季米特洛夫格勒核电站生产，远无法满足未来商业聚变需求。
表 氚增殖技术路线
国内产业进展
中国CFETR规划2035年建成氚工厂，产能1公斤/年；
中核四〇四建成氚处理中试线，提取效率85%；
中科院合肥研究院开发氚在线监测技术（精度10⁻12mol/mol）。
当前核心瓶颈：氚增殖包层的长期运行可靠性、氚提取效率（目标>95%）、放射性氚的密封与安全控制。
2.4 其他关键部件与系统
除三大核心环节外，聚变装置还需要一系列高精密部件与系统的协同配合，这些环节同样具备极高的技术壁垒：
偏滤器：排出聚变反应产生的杂质和余热，维持等离子体纯度，是热负荷最集中的部件，采用“钨装甲+铜合金热沉+不锈钢结构”，热流密度达20MW/m²，国内供应商包括国光电气、安泰科技，国际厂商如德国莱宝、三菱重工。
大功率电源系统：为超导磁体、加热系统提供稳定的大功率电力（数万安培电流、数千伏电压），包括脉冲电源、稳态电源、励磁电源等；国内许继电气为ITER提供40kA脉冲电源，国际供应商包括ABB、西门子。
真空室与低温系统：提供超高真空环境（10⁻⁷Pa级），真空室需双壁不锈钢结构，低温系统分液氦（4.2K）与液氮（77K）两类，国内中科富海开发4.2K/20kW大型制冷机，国产化率85%。
加热与驱动系统：将等离子体加热至聚变反应所需的上亿度高温，主流技术包括ECRH（电子回旋共振加热）、ICRH（离子回旋共振加热）、NBI（中性束注入），中科院等离子体所ECRH系统输出功率达2.4MW。
03 中游：装置设计与系统集成
3.1 核心装置设计与工程化
主流技术路线呈现多元化发展：
表 主流技术路线对比
工程化的核心挑战集中在：
磁体系统集成：超导线圈拼接精度<0.1毫米、失超保护响应毫秒级、大尺寸磁体运输安装。
热管理：主动冷却+被动散热结合，控制第一壁温度<800℃。
遥操作维护：中国CFETR已完成0.1mm精度机械臂原型机开发。
成本控制：商业聚变装置需将单位功率成本降至1.5万元/千瓦以下（当前ITER约10万元/千瓦）。
全球商业聚变装置进展
美国CFS：SPARC装置已完成70%的部件制造，预计2025年点火，目标实现Q>10（能量增益），2030年建成200MW ARC商业示范堆；
中国能量奇点：“玄鸟”系列装置已完成首轮等离子体放电，采用全高温超导磁体设计，目标2027年实现Q>5，2035年建成商业堆；
英国Tokamak Energy：ST40装置已实现1500万度等离子体运行，计划2030年建成示范堆，2035年实现商业化发电。
3.2 国家重大科技基础设施的引领作用
国家主导的重大项目是中游产业的“练兵场”，通过技术攻关和采购需求，带动全产业链的成熟。
ITER计划的带动效应
ITER作为全球最大的聚变工程，中国承担了9%的采购包任务，涵盖超导磁体、真空室、偏滤器、电源系统等核心部件，直接推动国内相关企业技术升级：
超导材料：西部超导通过ITER供货，突破Nb₃Sn线材的千米级量产技术，产能从10吨/年提升至50吨/年；
真空室：中国一重完成ITER真空室模块制造，掌握大厚度不锈钢焊接与无损检测技术，焊接合格率达99.8%；
电源系统：许继电气为ITER提供脉冲电源系统，实现数万安培电流精确控制，电流纹波<0.05%；
人才培养：通过参与ITER项目，国内培养数千名聚变工程技术人才，成为商业聚变公司核心力量。
CFETR：中国自主聚变工程里程碑
中国聚变工程实验堆（CFETR）是继ITER之后的下一代重大装置，规划分三阶段建设：
第一阶段（2025-2030年）：建成“聚变堆关键技术验证堆”，实现Q>5，验证超导磁体、氚增殖包层等核心技术；
第二阶段（2030-2040年）：建成“聚变堆工程示范堆”，实现氚自持、Q>20，连续运行1000小时；
第三阶段（2040-2050年）：建成“商业原型堆”，装机容量1000MW，实现商业化发电。
CFETR预计将带动超千亿元产业链投资，形成完整的自主化聚变产业链，目前已完成总体设计，关键部件研发正在推进中。
3.3 诊断与控制系统：聚变装置的“神经中枢”
聚变装置的运行需要实时监测等离子体状态并精准控制，诊断与控制系统被誉为“神经中枢”，其技术水平直接决定实验的成功率和装置的安全运行。
等离子体诊断技术
聚变装置需配备数千个各类诊断探头，覆盖等离子体温度、密度、磁场、杂质等关键参数：
汤姆逊散射系统：测量电子温度与密度，中国科大实现三维成像。
软X射线诊断系统：监测杂质与磁流体不稳定性，西安光机所时间分辨率10ns。
中子诊断系统：测量反应率，中科院核能所探测精度达10⁶中子/秒。
先进控制技术的应用
随着装置复杂度提升，传统控制方法已无法满足需求，先进技术成为主流：
人工智能实时控制：中国EAST已实现AI控制下的1000秒长脉冲运行，稳定性提升40%；
数字孪生技术：CFS的SPARC装置采用虚拟模型优化运行参数，预计降低维护成本30%；
分布式协同控制：ITER已建成全球分布式控制中心，支持美、欧、中、日等国远程协作。
04 下游：运营、应用与未来展望
下游是聚变能源价值兑现的环节，随着技术成熟，将从单一的电力生产扩展到多个前沿应用领域，形成多元化的市场格局。
4.1 核聚变发电站：终极应用场景
核聚变发电站是可控核聚变的核心应用，与裂变相比，聚变电站内在安全性更高、放射性废物极少且半衰期短，在理想情况下度电成本有望低于传统能源。首代商业电站将重点验证可靠性、可维护性与经济性，为规模化推广奠定基础。
表 电站结构对比
商业模式
初期（政府补贴+电网优先消纳）
长期（低成本电力竞争+多能互补服务）。
4.2 其他前沿应用场
除电力生产外，可控核聚变还将催生多个新兴应用领域，开辟新的市场空间：
太空推进：聚变火箭比冲达10000秒（化学推进20倍），NASA已启动5亿美元示范项目，Helion Energy与DARPA合作开发小型聚变推进器。
工业应用：
制氢：聚变电力驱动电解水，绿氢成本降至15元/kg以下，2040年占全球绿氢市场30%。
同位素生产：聚变中子源生产医用（Mo-99）、工业同位素（C-14），解决现有反应堆供应不稳定问题。
材料辐照试验：中国CFETR规划建设辐照试验舱，支撑新材料研发。
特殊场景：模块化聚变电站（10-100MW）适用于偏远地区供电、海水淡化（吨水成本<1元）。
4.3 退役与废物处理
可控核聚变的环境优势不仅体现在运行阶段，退役与废物处理同样具有显著优势：
放射性废物量少：一座1000MW的聚变电站运行30年，产生的放射性废物约为100吨，仅为同等规模裂变电站的1/1000；
半衰期短：废物的主要放射性核素半衰期多为几十年，远短于裂变电站废物的数万年，只需短期储存（约100年）即可无害化；
退役成本低：聚变堆无大量放射性燃料残留，退役成本仅为裂变电站的1/10左右，一座1000MW聚变电站的退役成本预计为5-10亿美元；
处理方式：主要采用“近地表处置”（如地质储存库），无需像裂变电站那样建设深层地质处置库，对环境影响极小。
结论
可控核聚变正经历从“科学验证”到“工程实现”的历史性转折。上游材料性能的提升、中游工程集成的突破、下游应用场景的开拓，共同构成一个正反馈循环。然而，最终的成功不仅依赖于单项技术的精进，更在于整个工业生态的成熟 -- 从材料制备、装备制造到人才储备、标准构建，这是一个需要长期主义与系统思维的新工业体系。正如从业者所言：“我们不仅在建造一台能发电的机器，更在奠定下一个能源时代的工业基础。”
*本文系转载自新研智创，文章不代表本公众号观点，不构成投资建议。文中图片均来源于网络，版权归原作者所有，如有侵权，请告知删除。欢迎转发到朋友圈，转载请联系原作者。
