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可控核聚變項目進程及催化分析20250328

所屬地區(qū):湖北 - 武漢 發(fā)布日期:2025-04-01

發(fā)布地址: 廣東



可控核聚變項目進程及催化分析20250328

會議要點? ??

1. 項目進展? ??

?全球進展:全球可控核聚變分為主流國家隊和新公司兩派。國家隊普遍預期2045 - 2050年代實現(xiàn)商業(yè)化,以托克馬克路線為主,代表性裝置ITER預計2034年實現(xiàn)首次等離子體。私營公司中,MIT的CFS公司2026年建成SPARC裝置,希望2026 - 2030年驗證能量增益(Q值大于十),2030 - 2035年商業(yè)化;美國TAE公司已融資10億美金,預計今年實現(xiàn)Q大于一,2028年與微軟簽訂買電協(xié)議 。

?中國進展:中國國家隊主要由中科院和中核集團推進。中科院計劃成立聚變新能公司,建造EAST裝置及下一代CFETR裝置,2027年建成CFETR,目標Q大于5,2050年代建成第一座聚變電站,2050 - 2060年代每年建10座。中核集團一方面對中國環(huán)流器三號投入30 - 60億做氘氚實驗,另一方面在上海成立中國聚變能公司,投資200億,預計2045 - 2050年實現(xiàn)商業(yè)化 。

2. 技術(shù)路線? ??

?主流路線:主流技術(shù)路線分低溫超導和高溫超導。以高溫超導托卡馬克為例,關(guān)鍵部件中磁體占成本50%,真空室和冷屏占7% - 8%,內(nèi)真空室部件占10% - 20%,電源系統(tǒng)占10%左右,加熱系統(tǒng)占5% - 10%,其他輔助設備占剩余比例。低溫與高溫超導磁鐵主要區(qū)別在于材料,分別為低溫超導纜線和高溫超導帶材,最終制成D形磁體 。

?技術(shù)突破:高溫超導技術(shù)使磁體磁場從10特斯拉提升到20特斯拉,增強了磁約束,提升了托卡馬克穩(wěn)定性。直線型裝置借助超級電容器技術(shù)進步和快控開關(guān),采用磁慣性約束,結(jié)合磁約束和慣性約束優(yōu)勢,2021年溫度達一億度,今年希望提升磁場,明年實現(xiàn)能量增益 。

?國內(nèi)路線:中科院采用低溫超導技術(shù)路線,借助ITER技術(shù)穩(wěn)扎穩(wěn)打推進;中核集團較為激進,計劃在上海投建200億的高溫超導裝置,對標美國MIT路線 。? ??

3. 投資規(guī)模與收益? ??

?投資規(guī)模:托卡馬克實驗裝置如EAST為百億量級,高溫超導裝置成本類似,建成反應堆如美國CFS的ARC裝置和CFETR成本接近,為千億以上量級。實驗裝置為實現(xiàn)關(guān)鍵指標如Q大于10,發(fā)電堆則需Q大于30,發(fā)電功率可達1 - 2GW,能滿足2萬戶一年用電量 。

?市場展望:保守情況,2050年代建成聚變電站,從現(xiàn)在到2050年代市場規(guī)模幾千億量級;激進情況,若美國公司如海量或CFS在2030 - 2050年突破,尤其是海量公司今年或明年突破,全球?qū)⒊霈F(xiàn)聚變熱,2030年代市場價值可達萬億級;中間態(tài),若CFS高溫超導托克馬克在2035年左右突破,國家隊進度可能提前,市場規(guī)模與保守情況類似 。

4. 供應商情況? ??

?國內(nèi)供應商:經(jīng)過幾十年培育,中核集團和中科院有各自供應商系統(tǒng)且部分交叉。低溫超導磁體國內(nèi)做得最好的是西部超導,具備產(chǎn)業(yè)鏈加工能力的有聯(lián)創(chuàng)光電和國光電氣。高溫超導磁體相關(guān)公司有聯(lián)創(chuàng)光電參股的東部超導、京威股份參股的上海超導、上海交大孵化的翌曦科技。偏濾器關(guān)鍵部件由國光電氣、安泰科技、南京雷福斯等公司參與,包層系統(tǒng)主要由國光電氣等負責,主機三大件制造供應商有國際重裝、東方電氣等,遙控操作供應商為景業(yè)智能,泵閥供應商有江蘇神通和紐威股份,壓力容器供應商有海陸重工等 。

?海外供應商:ITER供應商按采購包由世界范圍內(nèi)七個國家和地區(qū)瓜分,資料可從官網(wǎng)查詢,但情況復雜 。

?行業(yè)標準:國家正在制定核聚變行業(yè)標準,預計一兩年發(fā)布。核聚變放射性低于核裂變,標準有望更簡化,目前實驗裝置供應商未區(qū)分分級 。

5. 聚變與裂變對比? ??

?安全性:核聚變是未來終極安全能源,即使熔堆或裝置爆炸也能迅速熄滅,不會出現(xiàn)鏈式反應。而核裂變一旦堆芯融化,放射性釋放會造成恐慌和嚴重環(huán)境影響,且裂變電站不能建在人員密集區(qū) 。

?核廢料處理:核裂變乏燃料處理困難,需幾百萬年才能去除放射性,只能扔在水池或深層地下掩埋。核聚變氚氘核聚變半衰期僅十一二年,輻射幾十年后就消失 。? ??

?能源系統(tǒng)地位:未來人類終極能源系統(tǒng)可能以聚變反應堆大規(guī)模替代火電為主,結(jié)合光熱、光伏及儲能裝置形成綜合互補系統(tǒng),核聚變成熟后可能取代核裂變。中國核能發(fā)展規(guī)劃為三步走,依次是裂變壓水堆、四代堆、聚變堆 。

6. 燃料情況? ??

?燃料形式與來源:核聚變?nèi)剂蠟殡碗埃畯暮K刑崛。巴ㄟ^鋰和鉛在中子作用下產(chǎn)生。反應堆內(nèi)有氚工廠,通過中子打鋰鉛包層產(chǎn)生核燃料,無需像核裂變一樣采礦獲取燃料 。

?國內(nèi)供應商:目前國內(nèi)只有中核集團和九院能生產(chǎn)氚,且氚作為軍工氫彈主要原料需管控,不會買賣 。

?燃料處理:核聚變?nèi)剂贤ㄟ^多級提純、萃取等工藝從包層產(chǎn)生的氚中提純,然后通過送氣系統(tǒng)回到裝置,臨時儲存可用類似氫氣球氣瓶,但因氚半衰期短不能長時間儲存 。

7. 發(fā)電形式? ??

?傳統(tǒng)方式:核聚變商用后主要轉(zhuǎn)化為電能,主流托克馬克裝置可借用核裂變電站產(chǎn)生電能方式,通過蒸汽發(fā)生器、汽輪機,經(jīng)過一回路、二回路及核島并入電網(wǎng) 。

?新興方式:美國部分公司提出直接利用法拉第電磁感應定律,通過磁通膨脹直接發(fā)電,可將效率從百分之三四十提升到百分之七八十 。

8. 技術(shù)方向性能對比? ??

?激光核聚變:性能最強,已實現(xiàn)Q等于3.15的正能量增益,但因是模擬核爆,每次爆炸后真空室需長時間清掃,且激光轉(zhuǎn)換熱能效率僅1%,工程上距離發(fā)電還差100倍 。

?托卡馬克:可穩(wěn)態(tài)持續(xù)輸出電能,能達到GW級供電規(guī)模,可替代國內(nèi)裂變電站 。

?直線型裝置:采用脈沖方式磁壓縮產(chǎn)生核聚變,無法穩(wěn)定運行,單臺機組聚變功率最多50 - 100兆瓦,只能作為未來超算中心的分布式能源,與托卡馬克形成互補關(guān)系 。? ??

Q&A? ??

Q:中國以及海外可控核聚變的進展、項目進度和商業(yè)化時間節(jié)點是怎樣的?

A:全球可控核聚變分為主流國家隊和新公司兩派。國家隊方面,普遍預期在2045 - 2050年代實現(xiàn)商業(yè)化,基于托克馬克路線,代表性裝置國際熱核聚變實驗堆ITER預計延期到2034年實現(xiàn)首次等離子體,其費用達200億美元。私營公司方面,MIT麻省理工的CFS公司建立的SPARC高溫超導托克馬克裝置預計2026年建成,希望在2026 - 2030年驗證能量增益Q值大于十,2030 - 2035年商業(yè)化;美國TAE的直線型FRC裝置,董事會主席是山姆奧特曼,已融資10億美金,山姆奧特曼年初稱今年可能實現(xiàn)Q大于一,Q大于三可商業(yè)化,且與微軟簽訂2028年買電對賭協(xié)議。中國方面,中科院計劃成立聚變新能公司,EAST裝置下一代CFETR預計2027年建成,目標Q大于5,2030年前驗證該指標,建成EAST后建造CFETR,希望2050年代建成第一座聚變電站,2050 - 2060年代每年建10座;中核集團并行做兩件事,一是對中國環(huán)流器三號實驗裝置投30 - 60億做氘氚實驗,二是在上海閔行成立中國聚變能公司,預計投資200億,今年下半年辦公并開始全超導高溫托卡馬克設計,裝置預計2045 - 2050年商業(yè)化。

Q:國內(nèi)從投資角度是否以國家隊為主?

A:是的,國家隊資金體量大,動輒100億或200億,而私營公司中能量奇點最多有7億,清華那邊四五億左右,其他有幾千萬、1億或七八億,體量較小。

Q:核聚變主流技術(shù)路線中關(guān)鍵設備如何拆解?

A:主流技術(shù)路線分低溫超導和高溫超導,除磁體不同外其他可理解為一樣。以最先進的高溫托卡馬克為例,磁體占整個成本的50%,是最大成本部件;真空室和冷屏占7% - 8%;內(nèi)真空室部件(包括偏濾器、包層、屏蔽傳感器等)占10% - 20%;電源系統(tǒng)占10%左右,主要為加熱系統(tǒng)供能,加熱系統(tǒng)占5% - 10%;其他輔助設備(冷屏、杜瓦、水冷系統(tǒng)等)占剩余百分比。

Q:低溫磁鐵和高溫磁鐵只是使用材料不同嗎?

A:對,低溫磁鐵用低溫超導的纜線,高溫磁鐵用高溫超導的帶材,最后制成的都是D形磁體。? ??

Q:目前核聚變單個項目的總投資大概是什么水平?

A:托卡馬克的EAST裝置投資在100億量級,高溫超導裝置目前成本未下降,大概也在百億量級。以美國CFS的反應堆為例,其ARC裝置成本在七八百億人民幣,即千億量級,CFETR裝置成本與之接近。低溫超導的托卡馬克未來投資肯定在千億以上量級。前面說的百億量級是聚變反應堆內(nèi)的設備,要做成能投入商用的堆則需千億量級。

Q:千億造價的聚變堆發(fā)電功率大概是多少?

A:可以滿足2萬戶使用一年的電量。

Q:海外技術(shù)路線是否相對更快?

A:海外技術(shù)路線相對較快,但失敗風險也大。海外的高溫超導托卡馬克和直線型裝置兩條路線較新,成熟度相對低。高溫超導托卡馬克方面,美國CFS才建第一臺裝置;直線型裝置迭代快,十幾年迭代了六代,現(xiàn)在是第七代裝備。這兩條路線造價低、裝置緊湊,優(yōu)勢是能比主流路線更快速迭代、試錯。

Q:國內(nèi)采用的是什么技術(shù)路線?

A:中科院采用比較保守的低溫超導技術(shù)路線,希望借助國際熱核聚變實驗堆ITER的技術(shù),在2050年左右實現(xiàn)聚變商業(yè)化;中核集團稍微激進,計劃在上海投資200億建設全高溫超導裝置,對標美國MIT的路線。

Q:國內(nèi)兩種不同技術(shù)路線的主要設備環(huán)節(jié)供應商情況如何,這些供應商之間有哪些異同?

A:經(jīng)過幾十年培育,中核集團和中科院分別有自己的供應商系統(tǒng),部分公司存在交叉。核聚變產(chǎn)業(yè)鏈較為核心的公司情況如下:低溫超導磁體國內(nèi)做得最好的是西部超導;具備實體產(chǎn)業(yè)鏈加工生產(chǎn)能力的有聯(lián)創(chuàng)光電和國光電氣。高溫超導磁體方面,王秋良院士團隊正在攻克相關(guān)技術(shù),擅長的公司有聯(lián)創(chuàng)光電、永鼎股份參股的東部超導、京威股份參股的上海超導,以及上海交大孵化的翌曦科技。偏濾器關(guān)鍵部件主要由國光電氣、安泰科技、南京的雷福斯負責;包層系統(tǒng)主要涉及國光電氣等,目前還未產(chǎn)業(yè)化,主要停留在實驗室階段,未形成大規(guī)模供應商。除核心部件外,主機三大件(如真空室和冷屏)制造供應商有國際重裝、東方電氣等;有聚變工程化制造能力的如中核科技;能進行機加工的有航天晨光、久鼎色彩等;還有從核電引進的供應商。遙控操作方面,國內(nèi)做得最好的是景業(yè)智能。反應堆的泵、閥主要供應商有江蘇神通和紐威股份;做壓力容器的有海陸重工等。此外,核安智能中標了BEST項目核心部件的真空室、核心區(qū)部件窗口以及重力支撐等任務。? ??

Q:國內(nèi)供應商與海外供應商是否有對標可比公司,海外ITER大型裝置的供應商有哪些?

A:ITER的供應商分采購包,由世界范圍內(nèi)七個國家和地區(qū)瓜分,涉及真空室、冷屏、磁鐵、電力系統(tǒng)、支撐等,情況非常復雜,很難梳理。ITER資料公開,可從其官網(wǎng)找到供應商資料。比如日本一些大型跨國企業(yè)是ITER供應商,像制造JT - 60SA托卡馬克的公司。

Q:聚變供應商是否會像裂變那樣分核一級、二級、三級準入,哪些部件涉及準入,哪些部件可通過民用市場化招標或采購?

A:國家正在制定撰寫核聚變相關(guān)行業(yè)標準,預計一兩年后發(fā)布。聚變和裂變有本質(zhì)區(qū)別,裂變根據(jù)輻射放射性水平對場所分級并找相應有資質(zhì)的供應商。而核聚變放射性比核裂變低得多,行業(yè)專家呼吁標準更加簡化,不能像核裂變那樣要求嚴格。目前實驗裝置的供應商還未區(qū)分這些分級,要等標準發(fā)布才能確定。

Q:目前階段聚變跟裂變相比有哪些不同?未來商業(yè)化后,聚變與裂變反應堆、核電站的不同之處在哪里?

A:從本質(zhì)上看,聚變和裂變能量密度都高,裂變能使用的場景聚變也可以。但裂變電站不能建在人員密集處,核裂變一旦堆芯融化、放射性釋放到公共空間,會造成很大恐慌,對環(huán)境影響極大。而核聚變是未來終極安全能源,即使熔堆或裝置被炸,也能迅速熄滅,不會出現(xiàn)無法控制的鏈式反應。在應用場景上,未來深空推進適用的只有核裂變和核聚變,核聚變的直線型裝置是理想的深空推進應用場景;分布式超算中心和內(nèi)陸不適合建裂變電站,裂變電站需靠近水源以應對核泄漏。核裂變的乏燃料無法處理,需幾百萬年才能去除放射性,而核聚變的氘氚核聚變半衰期只有十一二年,放幾十年輻射就會消失。總體而言,核聚變在安全性、核廢料產(chǎn)生及處理方面比核裂變有絕對優(yōu)勢。

Q:聚變現(xiàn)在的燃料是以燃料組件的形式存在,還是其他形式?目前核聚變?nèi)剂瞎糖闆r如何?? ??

A:核聚變?nèi)剂吓c核裂變不同,不是燃料組件,核聚變只需氘和氚。氘可從海水中提取,氚通過鋰(如鋰電池中的鋰)和鉛在一起,用中子轟擊產(chǎn)生,這也是制造氫彈的關(guān)鍵反應。未來反應堆要自己生產(chǎn)氚,反應堆中有個關(guān)鍵機構(gòu)叫氚工廠,利用反應堆產(chǎn)生的中子轟擊鋰和鉛的包層來產(chǎn)生核燃料。目前所有氚的來源是重水堆,只有有重水堆的地方和國家才能產(chǎn)生有限的氚。由于氚是軍工氫彈的主要原料,不會用于買賣,需管控,供應商掌握在國家手里,目前全中國只有中核集團和九院能生產(chǎn)氚。

Q:核聚變的乏燃料是否像裂變那樣需要單獨的處理方式或單獨的儲罐?

A:核聚變不是用儲罐,而是通過氚工廠進行多級提純、萃取等工藝,把包層中產(chǎn)生的氚提純出來。提純后的氚會在燃料循環(huán)回路中,通過送氣系統(tǒng)回到裝置里。臨時儲存的話,類似儲存氫氣的氣瓶可儲存氘氣和臨時儲存氚,但氚半衰期短,不能儲存太長時間。

Q:核聚變商用、民用后,能量轉(zhuǎn)化形式是否以轉(zhuǎn)化成電能為主?

A:是的,核聚變能量轉(zhuǎn)化以電能為主。它可以借用目前核裂變電站產(chǎn)生電能的方式,如通過蒸汽發(fā)生器和汽輪機,利用一回路和二回路,經(jīng)核島產(chǎn)生并并入電網(wǎng)。主流的托克馬克裝置聚變電站就是這樣的應用圖景。不過,美國有兩家公司提出新方式,利用法拉第電磁感應定律,通過磁通膨脹直接發(fā)電,可將效率從原來的百分之三四十提升到百分之七八十。

Q:核聚變?nèi)N不同的技術(shù)方向中,新的技術(shù)方向相較于傳統(tǒng)方式是否有一定優(yōu)勢和應用前景?

A:新的技術(shù)方向有優(yōu)勢,但不成熟且風險大,目前由私營公司在做,國家高層也在關(guān)注能否有突破。從核聚變發(fā)展的五六十年歷史來看,主要收斂到了托克馬克(包括球形托克馬克和高溫超導托克馬克)、仿星器、激光核聚變這三個方向。新出現(xiàn)的磁慣性等概念是在原有基礎上進行了創(chuàng)新和改變,但具體能否實現(xiàn),要等其參數(shù)達到一定水平后才能與托克馬克相比較。

Q:三個技術(shù)方向,能夠?qū)崿F(xiàn)的Q值現(xiàn)在都差不多嗎?

A:三個技術(shù)方向的Q值稍有區(qū)別。激光核聚變默認用于軍工方向做模擬核爆,前兩年已實現(xiàn)Q大于1,產(chǎn)生了Q等于3.15的正能量增益,但這是科學的Q值,若用于發(fā)電,工程上還差100倍,因為激光轉(zhuǎn)換成熱能的效率是1%,目前激光核聚變的Q值最大。托克馬克在日本的JT - 60U裝置上實現(xiàn)了Q大于1,但美國人不承認,因為日本沒有氚的使用權(quán)利,用的是氘氘聚變,雖等效Q大于1,但未獲美國認可。仿星器在技術(shù)成熟度上比托克馬克弱一個量級,其反應器要求的磁體是不規(guī)則磁體,目前只有德國和日本有工業(yè)加工能力,其他地方加工精度不夠,主要研究仿星器的是德國和日本。? ??

Q:激光核聚變在中國或全球其他國家是否有可能取得突破或有商用進度?

A:激光核聚變主要是軍工方向,一般不討論其商用化。不過世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了一些類似的新技術(shù),如磁慣性技術(shù)(磁約束和慣性約束之間的方向)。中國有幾家公司在對標該技術(shù),包括華中科技大學和潘垣院士團隊,他們已做了一個中子源,由湖北省武漢市投資8億,現(xiàn)在還在成立一家新公司對標磁慣性技術(shù)路線;成都的瀚海巨能也在做對標路線;中科大的新能源光公司在對標FRC路線。很多小公司成立,是因為發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)參數(shù)在今年或明年有機會實現(xiàn)Q大于1,追上托克馬克參數(shù),所以大學和私營機構(gòu)開始投資研究這個方向。

Q:從發(fā)展進度和商業(yè)價值來看,核聚變與核裂變(包括大型三代堆和小型化的SMR堆)的替代關(guān)系如何?

A:未來人類終極能源系統(tǒng)沒有核裂變,主要是因為核裂變存在放射性問題。未來終極能源是一個綜合互補的系統(tǒng),聚變反應堆啟動后可大規(guī)模替代火電發(fā)電,再結(jié)合光熱發(fā)電、光伏發(fā)電和儲能裝置,形成電氫水熱冷綜合性能源供給系統(tǒng)。如果核聚變成熟,核裂變肯定會被取代。從中國核能發(fā)展整體規(guī)劃的“三步走”來看,先是裂變的壓水堆,接著是四代堆(熔鹽堆、高溫氣冷堆、快堆等),最后是聚變堆。所以目前核裂變可理解為聚變未商業(yè)化或商業(yè)化成熟度不高情況下的過渡方案。

Q:中國和海外的核聚變技術(shù)路線,總的市場展望和節(jié)奏如何?

A:分三種情況:保守情況,如果在2050年代建成聚變電站,從現(xiàn)在到2050年代,市場規(guī)模可能是幾千億量級,每幾年或十幾年建一兩個堆進行測試,如中核集團和中科院并行建設。一旦2050年有一家突破,2050 - 2060年每年建10臺,共建成100臺,發(fā)電電量可能超過現(xiàn)有所有核裂變電站水平。激進情況,如果美國的海聯(lián)公司或CFS(MIT的公司)在2030 - 2050年之間尤其是今年或明年取得突破,全世界范圍內(nèi)會有大量政府和跨國公司大規(guī)模投資,可能出現(xiàn)“聚變熱”,中國可能出現(xiàn)上百個研究機構(gòu),2030年代市場價值可能達到萬億級。中間態(tài),如果CFS的高溫超導托克馬克能在2035年左右實現(xiàn)突破,雖比海聯(lián)的直線型裝置貴,但比低溫超導托克馬克便宜,國家隊2050年的進度可能提前,市場規(guī)模和之前說的差不多,可能十年建100個左右。? ??

Q:短期到2030年之前,核聚變更多以實驗堆或?qū)嶒炑b置形式出現(xiàn),2030年左右看新技術(shù)路線有無商業(yè)化突破,高溫超導或低溫超導時間線往后移到40、50年代,這樣理解對嗎?

A:對,但如果主流路線EAST實現(xiàn)Q大于5,就相當于AI的ChatGPT時刻,市場會提前到來。如果聚變新能源的EAST能在2027 - 2030年之間出現(xiàn)Q大于5,市場情況可以大膽想象。該裝置預計2027年建成,建成后要看其結(jié)果情況。

Q:三種可控核聚變技術(shù)路線在性能上有什么特別大的不同?

A:激光聚變性能最高,但它不控制核聚變,像美國的NIF裝置用超級激光器打靶丸模擬核爆,一旦爆一次,真空室需長時間清掃,所以間隔較長時間才能進行下一次。托卡馬克方向可以穩(wěn)態(tài)、源源不斷地持續(xù)輸出電能,能達到吉瓦級的供電規(guī)模,可以替代國內(nèi)的裂變電站。美國的直線型技術(shù)路線用脈沖方式磁壓縮產(chǎn)生核聚變,無法穩(wěn)定運行,單臺機組聚變功率最多50兆瓦到100兆瓦,只能作為未來超算中心的分布式能源,和主流的托卡馬克是互補關(guān)系,無法用于建設大型聚變發(fā)電站。

Q:直線型裝置里面有磁體嗎?

A:有磁體,只不過它的磁體不需要像托卡馬克一樣繞成甜甜圈的形狀。

Q:如果直線型技術(shù)路線有突破,其所需設備在國內(nèi)的供應商情況如何?

A:目前國內(nèi)還未找到相關(guān)供應商,需要培育。該技術(shù)在美國90年代已有,國內(nèi)雖在超級電容和電源方面比美國落后,但未落后30年,且我國在脈沖強磁場技術(shù)路線上處于世界領(lǐng)先,如華科強磁場中心已做到100特斯拉的脈沖磁場。大概率彭院士他們會和華科以及中國的電源廠商聯(lián)合研制該路線最關(guān)鍵的設備。

Q:可控核聚變除堆芯外的其他設備是否可以借鑒裂變裝置?? ??

A:對于托卡馬克來講是可以的,它的核島、蒸汽發(fā)生器以及電能產(chǎn)生方式都可以借鑒核裂變的成熟技術(shù),中科院的CFETR就打算借用核裂變的成熟技術(shù),自己不研發(fā)這部分。

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