可控核聚变技术核心及组成

托卡马克装置结构复杂，核心为环形真空室，外部环绕各类线圈系统。电流通过线圈后会共同形成强螺旋磁场，对等离子体实现有效约束，并将其加热至上亿度高温，为核聚变反应提供必要条件。

图6：托卡马克内部组成

磁体（Magnets）：磁体系统用于产生磁场来启动、限制、塑造和控制等离子体。

真空室（Vacuum Vessel）：真空室是一个重要的环形容器，其内部创造出一个高真空环境，以维持等离子体的存在。等离子体在这样的环境下不会与任何物质接触，从而减少热损失并保持其超高温状态。真空室同时也承担着支撑整个设施结构的作用。

包层（Blankets）：包层模块位于真空室内侧，主要作用是隔热和辐射屏蔽，保护结构免受炽热等离子体产生的高热和中子辐射的伤害。未来的增殖包层还将有助于氚的生成，氚是实现核聚变反应的关键原料之一。

偏滤器（Divertor）：处于托卡马克装置的底部，偏滤器的功能类似于“烟灰缸”，负责从等离子体中清除杂质和废物，从而保持整个环境的纯净和等离子体的稳定。

低温恒温器（Cryostat）：真空杜瓦是围绕着整个托卡马克装置的外壳，为内部组件提供额外的保温效果，确保设施内部在适宜的温度下运行，同时也支撑整体结构。

根据《Superconductors for fusion: a roadmap》，整个托卡马克装置中，目前价值量占比前三的分别是磁体（28%）、堆内构件（17%）、建筑（14%）。

图7：托卡马克的价值量占比

1. 磁体系统

磁体系统是托卡马克装置的核心，磁体系统由多个线圈组成，包括纵向场磁体（TF）、中心螺管磁体（CS）、极向场磁体（PF）和校正场磁体（CC）。

托卡马克磁体系统已实现从铜基磁体到低温超导磁体，再到高温超导磁体的跨越式发展。随着高温超导技术的不断成熟，未来商用聚变堆可采用高温超导与低温超导相结合的方案，研制超大尺寸、高磁场强度的混合型超导磁体。

2. 电源系统

聚变装置电源系统是保障聚变反应顺利实现与装置稳定运行的核心电力供给单元，堪称聚变装置的“生命线”。

以国际热核聚变实验堆（ITER）为例，其电源系统主要承担三大核心功能：一是为微波、中性粒子束等装置供能，维持聚变反应所需的高温等离子体环境；二是为各超导线圈提供励磁电流，生成强磁场以约束和控制等离子体位形；三是为聚变装置各辅助系统供电，并为磁体失超保护电路提供电力保障。

据《Superconductors for fusion: a roadmap》研究显示，实验堆阶段（ITER）中，加热系统与电流驱动相关电源系统的成本占比为7%；示范堆阶段（DEMO）中，该类电源系统成本占比约8%。

ITER整体电源系统架构主要包含五大模块：①法国400kV电网；②稳态及脉冲高压变电站；③磁体电源系统；④加热与电流驱动电源系统（涵盖中性束注入NB、离子回旋ICRF、电子回旋ECRF、低杂波LHCD）；⑤无功补偿与谐波滤波系统。

图8：ITER电源系统组成

三、产业链分析

（一）产业链结构

可控核聚变产业链上游以核心原材料为主，主要包括超导磁体材料、钨、钽等稀有金属、特种钢材，以及氘、氚等聚变燃料。

中游主要为各类核心设备制造与反应堆工程建设。以主流的托卡马克核聚变实验装置为例，相关设备涵盖磁体系统、真空系统（含偏滤器、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、各类泵阀等配套装备。

下游主要为聚变电站运营，应用方向包括科研实验与电力生产。

图9：可控核聚变产业链

（二）地区重点项目

1.合肥

合肥以中科院合肥物质科学研究院为核心，EAST（东方超环）于 2025 年 1 月 20 日成功实现1 亿摄氏度、1066 秒高约束模等离子体运行，刷新 “亿度千秒” 世界纪录。当地已确立聚变发展三步走战略：BEST 实验堆 — 工程示范堆 — 商业工程堆。其中 BEST 装置基于 EAST 技术迭代，将首次开展聚变能发电演示，已于 2025 年 5 月初启动总装。

EAST（中文名称：东方超环）是由中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所自主设计研制、拥有完全自主知识产权的世界首个全超导非圆截面托卡马克装置。其名称取自 Experimental（实验）、Advanced（先进）、Superconducting（超导）、Tokamak（托卡马克）四个单词首字母，全称即为 “先进实验超导托卡马克”。

图10：BEST项目正在施工

2.成都

中国环流三号由核工业西南物理研究院研制，是我国目前规模最大、参数水平最高的磁约束先进托卡马克大科学装置。该装置于2020年12月建成并实现首次等离子体放电，建成后多次刷新我国可控核聚变装置的运行纪录。

2025年3月，中国环流三号实现原子核温度1.17亿摄氏度、电子温度1.6亿摄氏度的“双亿度”运行；2025年5月，装置同步实现等离子体电流100万安培、离子温度1亿摄氏度及高约束模式持续运行，聚变三乘积突破10²⁰量级。

图11：中国环流三号顶部

3.江西

“星火一号”项目由江西聚变新能源有限责任公司投资建设，采用基于高温超导技术的紧凑型托卡马克装置，设计等效聚变功率大于40MW、总功率300MW，旨在实现100MW级聚变-裂变混合堆并网发电。项目一期落户南昌市瑶湖科学岛，计划2029年年底完成装置建设，2030年实现演示发电。

该项目采用先进的聚变-裂变混合堆技术，具备显著的经济效益与社会效益，高温超导混合堆技术可有效破解传统聚变技术面临的多项核心难题。

4.上海

2025年7月22日，中国聚变能源有限公司在上海正式举行挂牌成立大会。仪式现场，中国聚变公司与上海电气集团、中国电气装备集团、上海交通大学、申能集团等在沪单位签署聚变创新联合体深化合作协议；同时与中核集团、中国核电、中国石油集团昆仑资本有限公司、上海未来聚变能源科技有限公司、国家绿色发展基金股份有限公司、浙能电力、四川重科聚变能源科技有限公司七方签署增资扩股协议。

本次增资完成后，中国聚变公司注册资本达150亿元，成为国内注册资本规模最高的商业聚变企业。