可控核聚变：基本概念及全球产业进程梳理

一. 概念解析

核能是原子核结构发生变化时释放出来的巨大能量，包括核裂变、核聚变、核衰变三种形式。

1.1 核裂变

（1）原理：重核（铀/钚）吸收中子后分裂为两个轻核，释放能量及更多中子，形成链式反应。

（2）原料：铀235，主要来源于铀矿，通过加工和浓缩流程获得。

（3）应用：核电站、原子弹。

1.2 核聚变

（1）原理：轻核（氘/氚）在极端高温高压下聚合成重核（如氦），进而释放巨大能量。

（2）原料：氘可在海水中提取，氚可通过中子轰击锂制造。

（3）应用：氢弹、人造太阳。

二. 核聚变优势及难点

2.1 优势

（1）能量效率：核聚变单位质量燃料释放的能量是核裂变的4-10倍。

（2）原料丰富：核裂变依赖铀等自然元素；核聚变燃料资源（氘/氚）丰富且可再生。

（3）环保：核裂变产生放射性核废料；核聚变产物为稳定氦核，放射性废物极少且半衰期短。

（4）安全性：核裂变若失控可能引发事故；聚变反应一旦条件不满足即停止，无失控链式反应风险。

2.2 难点

（1）极端反应条件：需将氘氚等离子体加热至1亿摄氏度以上，并维持足够密度和时间（劳森判据）。

（2）材料与工程难题：材料耐久性、等离子体约束等限制。

（3）经济性：能量增益因子（Q）距离商用堆（Q>10）仍有极大差距（目前Q<1）。

三. 核聚变技术路线

3.1 磁约束（MCF）

（1）原理：利用强磁场约束高温等离子体，使其在磁场中无法与容器壁接触，并维持足够的约束时间，以满足核聚变条件。

（2）典型装置：托卡马克（如国际热核聚变实验堆ITER、中国东方超环EAST）、仿星器（如德国W7-X）。

3.2 惯性约束（ICF）

（1）原理：利用激光或粒子束瞬时压缩氘氚靶丸，通过惯性作用在极短时间内创造高温高压条件触发聚变反应。

（2）典型装置：美国国家点火装置（NIF）、中国神光系列激光装置。

四. 可控核聚变产业进程

上述技术路线中，托卡马克是目前最接近聚变条件、各国投入最大、技术发展最成熟的路径。

根据IAEA，当前全球聚变装置共159台，其中托卡马克79台、仿星器23台、激光/惯性约束12台。

4.1 国际热核聚变实验堆（ITER计划）

ITER计划于1985年启动，由中美俄欧盟等七方30多个国家共同参与，是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。

目前，ITER正在建设全球最大的实验性托卡马克核聚变反应堆，预计2035年实现氘-氘聚变实验。

4.2 我国装置

我国以托卡马克为主要路线，先后建成超导HT-7、环流二号HL-2M、环流三号HL-3、东方超环EAST（实现亿度千秒燃烧）。

（1）核心挑战：高温等离子体长时间稳定约束、材料与工程极限、能量增益不足等仍是全球共性难题。

（2）短期目标：2035年前建成聚变工程试验堆CFETR（全超导托卡马克实验装置），验证聚变发电可行性。