可控核聚变因其能量密度极高、原料近乎无限、安全清洁等特性，被视为人类理想的终极能源。全球主要国家已突破科学可行性验证，正加速向工程可行性及商业化迈进，标志性装置不断刷新参数，氘氚、氘氘、氘氦 3、氘硼燃料各具优势，托卡马克、仿星器、FRC 等技术路径齐头并进。中国已将可控核聚变纳入 “未来能源” 体系，2025 年首次入法、2026 年首次单独写入五年规划，政策支持力度显著增强。产业链方面，上游超导材料、面向等离子体材料及氚燃料循环存在核心挑战，中游磁体系统、真空室、偏滤器、包层、电源、氚工厂等部件尤为关键，下游美国以商业聚变公司为主，中国科研院所与商业公司同步推进示范堆建设。可控核聚变发电可期，多个国家目标在 2030—2050 年间建成示范堆（DEMO）并实现并网发电；综合来看，中国聚变堆有望在 2045 年前后进入示范阶段，2050 年前后实现商业化发电。
行业简介：人类理想的终极能源
核聚变是在一定条件下（超高温、高压），由质量较小的原子核互相聚合生成新的质量更重的原子核，同时释放出巨大能量的反应。核聚变类型主要有 4 种：氘 — 氚（D-T）、氘 — 氦 3（D-³He）、氢 — 硼（p-¹¹B）及氘 — 氘（D-D）聚变。现有理论和实验研究均表明，氘氚聚变是最容易获得聚变能的方式，也是当前实现可控核聚变的最为可行的发展路线。
可控核聚变具有能量密度高、原料易得、安全性高、清洁低碳的特点。能量密度高：燃烧 1 千克氘相当于四千克铀 - 235，相当于七千吨汽油或一万吨煤，“燃烧” 1 千克海水与燃烧 210 千克汽油所获能量相当。原料易得：每公斤海水含氘 0.03g，地球上的氘足以上用几百亿年；氚可通过中子轰击锂 - 6 得到。安全性高：不产生高放射性核废物，发生事故时核反应迅速终止。清洁低碳：不产生温室气体。
聚变三乘积和能量增益因子 Q 是可控核聚变的关键指标。核聚变要求等离子体温度、粒子密度和约束时间的乘积大于某个特定值，即 “劳森判据”，也称聚变三乘积。氘氚聚变理想温度约为 1 亿度至 2 亿度，学术界认为聚变三乘积大于 5×10²¹ 时，聚变输出功率才能大于等于输入功率，达到点火条件。Q 为聚变反应输出能量与输入能量之比，Q 大于 1 意味着产生净能量增益；一般认为 Q 大于 5 时反应堆能自我维持，Q 大于 10 时核电站才有收益，Q 大于 30 时可商业化，商业聚变堆至少需 Q 值达到 10。
可控核聚变总体分为磁约束、惯性约束和磁惯性约束等技术路线。磁约束是目前最有前景的实现大规模受控核聚变反应的方法，利用磁场约束高温等离子体，装置包括托卡马克、仿星器、反向场箍缩及磁镜等，工程成熟度、数据库完备性与国际合作深度无可替代，但项目周期长、投资规模大、建设成本高。惯性约束通过高能激光或粒子束将燃料加热并压缩成等离子体，依靠自身惯性实现约束，单脉冲能量密度极高，适用于聚变 — 裂变混合堆、空间推进等特殊场景。磁惯性混合约束同时利用外部磁场和等离子体自身惯性实现约束，绕过传统工程瓶颈，聚焦高价值细分场景。
聚变 - 裂变混合堆是潜在发展方向之一，通过聚变产生的高能中子驱动包层内以天然铀、Th232 或乏燃料为燃料的次临界系统，实现能量倍增并生产氚以维持氚自持，可大幅提高裂变资源利用效率。其优点是可用不易裂变材料或乏燃料、换料周期长经济性高、以裂变发电为主大幅降低聚变指标要求、次临界固有安全性高；缺点是燃料系统需兼容纯聚变氚系统与裂变燃料包层系统，工程难度大，放射性废料几乎与裂变堆相同。
可控核聚变面临三大科学技术难题和三大工程应用难题。科学技术层面包括：等离子体稳态自持燃烧，需攻克加热约束、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；聚变堆结构材料，第一壁、包层、偏滤器等需耐受高能中子辐照与高热负荷，亟须研发抗辐照、耐高温、低活化的专用材料；氚增殖与自持循环，现阶段燃烧率偏低、处理量大，高温下氚渗透风险突出，需构建规模化高效率氚回收处置体系。工程应用层面包括：大型强场磁体技术，高温超导是实现强磁场的核心，但在机械应力、失超保护等方面仍需系统集成验证；等离子体运行与控制，聚变堆多参数强耦合、工况严苛，易发生破裂停机，亟须应用 AI 开展破裂预判与应急调控；能量的传导与转化，涵盖脉冲能量平稳发电、冷却剂工程适配、氚渗透与放射性包容设计、高功率能量转换装备研制等。
可控核聚变研究可分为概念可行性、科学可行性、工程可行性、商业可行性和商业堆五大阶段。概念可行性已得到验证，英国 JET、美国 TFTR 和日本 JT60U 的实验基本实现接近氘氚聚变的能量得失相当条件，验证了科学可行性；以 ITER 为代表的装置将进一步验证科学可行性，同时部分验证工程可行性；后续 DEMO 装置将验证商业可行性，为商业堆打下基础。当前核聚变能正加速从科学研究向工程示范迈进。2030 年前可控核聚变面临的重大挑战主要是高 Q 值、资金投入以及氚自持；2030 年后预计主要为氚自持、耐中子辐照材料和全生命周期工程。
产业链：材料、核心部件、总装运营
可控核聚变产业链上游主要为各类原材料，包括超导磁体材料、金属钨、钽等稀有金属、特种钢材、氘和氚等燃料等。中游主要为各类设备以及反应堆工程建设，以托卡马克装置为例，包括磁体系统、真空系统（偏滤器、第一壁）、加热与电流驱动系统等核聚变主机设备，以及压力容器、蒸汽发生器、汽轮机、各类泵阀等其他设备。下游主要为核电站运营，用于科研及发电。
从价值分布看，低温超导托卡马克实验堆阶段以 ITER 为例，超导磁体投入占比最高达 28%，堆内构件占 17%，真空室和电源各占 8%，加热系统占 7%；示范堆阶段以 DEMO 为例，电站配套辅助设施占比最高达 25%，主机系统中低温装置和冷却水系统、堆内构件、磁体分别占 16%、15%、12%，真空室和电源占比降至 2%。高温超导托卡马克装置磁体价值占比预计有所提高；FRC 及 Z-FFR 装置中电源系统及其内部电容和开关尤为重要，预计电源系统价值占比高。
从不同维度筛选产业链企业：技术路线上，当前托卡马克实验验证最充分但体积大、投资成本高，更适合国央企开展相关工作，仿星器更适合长期稳态运行，FRC 具备低投资门槛优势，适合民营企业快速迭代，各技术路线的首要挑战均为攻克 Q>1 难题。产业链环节上，当前处于实验堆、工程验证堆阶段，上游建议重点关注超导材料和面向等离子体材料，中游聚焦高价值量 / 低国产化率核心部件。公司团队上，兼具等离子物理理论、大装置工程落地、产业化运营复合背景的专家是核心壁垒。
上游环节：燃料、磁体材料及堆内材料均存在挑战
各种聚变燃料均有明显优缺点。氘 — 氚聚变最容易维持，氘储量丰富，但氚半衰期仅 12.3 年、地球储量极低，目前主要由重水堆生产，聚变反应堆预计通过中子轰击锂 6 产氚。氘 — 氦 3 反应条件略高于氘氚，但氦 3 储量有限且昂贵，后续可能在月球开采。氘 — 氘最大优势是海水氘储量极高且价廉，但反应条件比氘氚高两个数量级。氢 — 硼优势是氢硼储量丰富，但反应条件比氘氚高近 3 个数量级。
磁场是磁约束核聚变最基本需求，需达到数特斯拉。已建成的绝大多数聚变装置采用常规磁体，材料主要为铜及铜合金；未来聚变装置需采用超导材料制备磁体。超导材料分为低温超导和高温超导，核聚变装置中高温超导为确定发展方向。低温超导主要为 NbTi 和 Nb₃Sn，需在液氦环境下工作，使用成本高，主要应用于 15T 以下场景；高温超导材料对工作环境要求较低，第二代高温超导带材可在液氮环境工作，液氮资源丰富、制备技术成熟、价格远低于液氦，且能提供更高场强的稳定磁场。目前第二代高温超导带材（稀土钡铜氧 REBCO）是综合性能最高、应用最广泛的高温超导材料，广泛应用于高温超导托卡马克装置。
堆内材料是磁约束聚变走向应用的关键技术之一，不仅制约聚变堆的服役寿命、运行模式及安全性，也影响氘氚等离子体的稳定燃烧及氚自持。面向等离子体材料包括碳、钢、钼、铍、钨等，热沉材料一般选用铜合金，钨是面向等离子体材料的主要候选材料，包层结构材料主要选用钢，氚增殖材料采用锂，中子倍增材料采用铍。
中游环节：主机系统、关键支撑系统与能量提取发电系统
中游主机系统包括磁体系统、真空室、偏滤器、产氚包层、冷屏与杜瓦等。磁体系统扮演核心角色，主要由环向场（TF）、极向场（PF）、中心螺线管（CS）、误差场磁体及其馈线系统组成。真空室位于磁体系统内部，室内部件包括包层、偏滤器、诊断、内线圈、孔栏、加热天线等，其设计、材料选择、制造及超真空环境直接影响等离子体放电品质。偏滤器属于面向等离子体部件，是排除能量和杂质粒子的主要部件，也是发生等离子体与器壁相互作用的主要区域，已成为制约核聚变能实现的关键问题之一。产氚包层围绕等离子体排布，承担产氚、排热、屏蔽等重要功能。冷屏和杜瓦是保障超导磁体稳定运行的必要系统，冷屏阻隔并带走热量维持低温运行，杜瓦提供真空环境、传递应力并作为放射性物质的二级约束部件。
关键支撑系统涵盖低温系统、加热与电流驱动系统、电源系统、燃料循环系统、测量诊断与控制系统、遥操系统等。低温系统主要用于保障超导磁体正常运行、提供超高真空环境。加热与电流驱动主要采用中性束注入和射频波系统实现，射频波包括电子回旋共振加热（ECRH）、离子回旋共振加热（ICRH）和低杂波电流驱动（LHCD）。电源系统满足磁体线圈、辅助加热、真空、低温、冷却水、数据采集等用电需求。燃料循环系统功能包括未燃烧氚气回收再利用、反应堆氚自持、氚的包容与回收，分为内循环、外循环及氚安全包容系统三部分。控制系统是聚变反应堆的神经中枢，承担协调上百项子系统、保障运行安全、实现稳态聚变反应等核心任务；测量诊断系统为装置运行提供关键参数。遥操系统对堆芯部件进行性能监测和远程维护。
下游环节：院所与商业公司发挥各自优势
美国、欧盟、中国、日本、俄罗斯、韩国、印度等高度重视可控核聚变发展，国家层面预计在 2030 年前后突破工程能量 “得失相当” 问题，正研究示范堆（DEMO），随后进入商业化开发阶段，目标实现 Q 值 30~50 及氚自持。截至 2025 年，全球 46% 的核聚变装置采用托卡马克方案，85% 为实验装置，聚变项目资金 67% 来自公共资金；北美、欧洲、亚太区在电站建设进度上领先，亚太实验堆数量最多。2025 年全球可控核聚变累计投资从 2024 年的 70 亿美元增至 106.6 亿美元，股权投资从 9 亿美元增至 35 亿美元，私营聚变公司从 45 家增至 53 家；历史上约 70% 的聚变投资发生在美国，中国自 2022 年起明显加大投资力度。
多数聚变企业认为 2030-2035 年具备示范堆运营条件并实现并网，多数企业预测 2031-2040 年全球首台聚变电站并网发电。根据 IAEA 基准情景，核聚变发电量预计从 2035 年的 2TWh 增至 2050 年的 375TWh，2100 年接近 25000TWh，占全球发电结构比例 2075 年达 15%、2100 年达 27%。根据 Precedence Research 预测，全球核聚变市场规模 2030 年达 4719.9 亿美元，2040 年约 8434.6 亿美元，复合年增长率为 6%。
国际典型装置 ITER 是正在建造的世界上最大的托卡马克装置，由全球 35 个国家 / 地区合作建造，目标是验证氘氚等离子体受控点火和持续燃烧、验证聚变反应堆工程可行性。ITER 于 2006 年正式启动，原计划 2025 年开始等离子体实验、2035 年进行全氘 — 氚聚变实验，但因新冠疫情影响供应链及部分关键部件维修，根据新路线图氘 - 氚聚变实验阶段预计从 2039 年开始，较原计划推迟 4 年。美国 CFS 通过高温超导磁体技术将托卡马克体积缩小至 ITER 的 2%，Helion 采用磁惯性约束路线并正在建造 “北极星” 装置；德国 Proxima Fusion 于 2025 年 2 月公布 1GW 仿星器聚变电站概念设计 “Stellaris”。
中国方面，我国核能发展采取 “热堆 - 快堆 - 聚变堆” 三步走战略，2006 年加入 ITER 项目，承担涉核部件、磁体支撑、超导导体、诊断等关键系统研制任务，核聚变研发水平总体已位居国际第一方阵。磁约束方面已处于世界前列，先后建成合肥超环（HT-7）、中国环流器二号（HL-2A）、东方超环（EAST）、环流器三号（HL-2M）等装置，正在建设 BEST、环流器四号、CFEDR 等装置；惯性约束方面神光 - III 主机激光装置总体规模和性能位列世界第二、亚洲第一，仅次于美国 NIF 装置。政策方面，核聚变被明确列为未来能源，2025 年首次入法，2026 年首次以独立表述写入五年规划纲要正文。国内参与者分为体制内院所与民营企业两类，院所以中科院等离子体所与核工业西南物理研究院为主，产业化主体分别为聚变新能和聚变能源；商业公司多采取校企（院）合作模式，多采用高温超导托卡马克或 FRC 技术。我国聚变堆有望在 2045 年左右进入示范阶段，2050 年前后实现商业化发电。
风险与机遇
关键材料与燃料供给不及预期风险：第一壁、超导磁体、氚增殖包层所需特种合金、高温超导带材、浓缩锂 - 6 等核心材料产能有限、量产工艺不成熟，氚天然储量稀缺、氚自持增殖工程验证难度大，若供应链配套、氚循环技术研发滞后，将制约聚变装置工程化落地进度。多技术路线迭代竞争与路线变更风险：当前多条路线并行研发，若主流路线发生切换，已布局特定线路的企业将面临研发投入沉没、订单需求萎缩。行业监管细则与核安全审评落地滞后风险：相关监管、安全审评标准尚处完善阶段，若细则出台不及预期，将延缓项目审批进度。长期大额资本投入与商业化回报不确定风险：全周期投入规模巨大、周期长达十至二十年，短期难形成规模收益与稳定现金流，若一级市场融资遇冷，企业存在研发放缓、项目延期风险。替代能源经济性挤压市场空间风险：光伏、风电、储能等清洁能源持续降本扩容，若其成本下降超预期，将压缩核聚变远期商业化需求与盈利空间。
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