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来源：摩根士丹利基金
《市场前瞻》（EDGE）系列报告由摩根士丹利投资管理协成环球团队（Counterpoint Global）提供。协成环球团队是摩根士丹利投资管理旗下专注于主动权益投资的团队之一，在投资上注重长期持有，强调多元视角和跨行业思维，并致力于识别具有独特价值和持续竞争优势的企业。
通过该系列报告，协成环球团队将分享关于前沿技术（例如区块链、自动驾驶、机器学习和基因编辑等可能对社会产生深远影响的技术）的最新洞察。
本文由摩根士丹利基金管理（中国）有限公司根据摩根士丹利投资管理发布的投资观点整理，内容以其英文版本为准。
人工智能 （AI） 的迅速崛起正在重塑全球能源需求，预计2050年全球用电量将增长1.5至3倍（年增长率达2-4%）。
作为太阳的能量之源，核聚变被许多科学家和能源专家认是能源技术进步的关键。如能实现商业化，核聚变能源将成为一个重要的里程碑，能够提供近乎无限的清洁、安全能源。
核聚变能量密度显著高于化石燃料，有望成为化石燃料的可持续替代方案。此外，与可再生能源相比，它还有几大优势：可按需提供可靠的电力、基建用地更少、选址更为灵活。
彭博行业研究认为，核聚变的商业化将对能源行业带来革命性的影响，到2050年其潜在市场估值将达到40万亿美元。①在地球上开展核聚变一直被认为是科幻小说的情节，但从近期的技术发展来看，未来十年或可实现核聚变的商业化。
为何现在关注核聚变？
近年来，随着私营企业的快速增长，核聚变已走出科学实验阶段，成为能源解决方案的可能性越来越大。
在取得几项进展后，核聚变的商业化正在成为可能。这些进展包括：
2022年12月5日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施 （NIF） 首次实现1.5的净能量增益（又称Q值），成为重要的催化事件。Q值是衡量聚变反应产生多少能量的指标。例如，如果Q值等于1，称为科学上的能量盈亏平衡，表示聚变反应释放的能量等于输入的能量。聚变研究在过去60年取得了长足进展，将三重积（温度×密度×约束时间）技术参数提高了10，000倍，目前距离聚变发电厂所需性能相差不到10倍。随着科学层面风险消减，行业焦点正转向如何建设一座具备商业化发电能力的核聚变发电厂。②
人工智能和高性能计算等赋能技术的进步有助于控制等离子体、优化反应堆设计、加快模拟速度。组件层面的进展，包括高温超导 （HTS） 带材的发展，也从根本上加快了商业化进程。高温超导使磁场强度提高至以前的两倍，可以用体积更小、成本更低的反应堆来实现聚变反应。利用这项技术，核聚变能源公司Commonwealth Fusion Systems目前正在开发其示范装置SPARC，预计2026年实现等离子体首次放电，并于2027年完成Q>1的工程验证。
人工智能热潮引发竞赛，加上各国日益重视能源安全和独立性，对大规模发电的需求空前高涨。全球电力需求经历了二十年的停滞，目前正在迅速增长，2050年用电量预计将增长1.5至3倍（年增长率达2-4%），高于不足2%的历史增长水平。随着电力需求激增，人们对核聚变兴趣大增，希望它能成为一种可持续的长期解决方案，为人工智能基础设施提供电力。
公共政策方面，核聚变受到多方面的支持：1） 美国现任能源部长克里斯托弗·赖特（Christopher Wright） 在自己的首份部长令中对该技术表达了强烈的支持；2） 美国国会加大了对核聚变的扶持，2025年美国政府为核聚变事业提供的经费达到创纪录的14.8亿美元；③ 及3） 美国聚变开发里程碑计划（Milestone-Based Fusion Development Program） 为私营公司提供节点性财务支持，鼓励他们实现预先约定的特定技术和工程里程碑。④
和粒子加速器一样，核聚变将被纳入《联邦法规汇编》第30章的监管框架，其监管严格程度远低于核裂变。这主要是因为聚变不依赖自持链式反应，产生的放射性废料微乎其微。继美国和英国之后，日本、加拿大和德国也对聚变与裂变进行区别监管。
过去五年，市场对各种反应堆设计进行了大量投资，包括托卡马克、仿星器、激光点火、z-箍缩等。共有53家公司从事核聚变业务。目前全球对聚变行业投入的资金超过97.6亿美元。⑤
近年来，两家私营核聚变公司与谷歌⑥和微软⑦签署了购电协议，购电总额为250兆瓦。此外，几家公用事业公司也与核聚变公司合作，目前正在选址和申请建造商用级聚变反应堆的许可。⑧从历史上看，公用事业公司采纳新技术的速度一直很慢，因此这一合作说明他们对核聚变抱有高度信心，相信它能够成为电网的可行电力来源。
在今后几年，有几个重要的里程碑值得关注：1）预计在2026年10月落地的核聚变监管框架；⑨ 2） 2027年 Commonwealth Fusion System的ARC演示；及3） 2028年Helion Energy的试点工厂竣工。⑩
核聚变为什么具有颠覆性？
掌握核聚变能源将成为人类历史上最重要的技术之一，其意义不亚于蒸汽机。核聚变有几个重要优势，可能会彻底改变能源的产生方式。
首先，聚变反应需要的燃料很丰富，而且成本很低。海水中富含氘，氚则可以在聚变过程利用锂在反应堆中增殖。国际原子能机构的数据显示，一升水所含的氘，加上少量锂，产生的能量理论上相当于燃烧300升石油。这意味着海洋中的氘足以满足人类数百万年的能源需求。
其次，核聚变反应只需要少量燃料便可释放出巨大的能量，从数量级来看是最密集的能量形式。每公斤聚变产生的能量是核裂变的4倍，是燃烧石油或煤炭的约400万倍。⑪如果成功商业化，聚变发电的成本可能会低于任何其他电力来源。
第三，聚变反应堆比裂变更安全，因为它们的反应具有内在的自限性。反应过程的每个环节都必须精确控制，包括磁场、真空系统和燃料比率。如果条件不完善，反应就会停止。与自我永续的核裂变不同，一旦环境发生变化，核聚变反应几乎会立刻停止。裂变的链式反应为指数级增长，有引发两种灾难性安全事故的风险，即临界反应失控和核熔毁。这些差别很重要，促使美国核监管委员会 （NRC） 在2023年一致裁定，聚变的监管框架应当有别于裂变。该裁定被编入美国法律，成为《2024年先进核能清洁能源法案》（ADVANCE Act of 2024）。
聚变与裂变的另一个重要区别是废料处理。核裂变会产生高放射性废料 （HLW） ，称为乏燃料，其处理和储存风险极高。核聚变仅产生低放射性废料 （LLW） ，其管理和处置要求相对宽松。经过基本隔离处理后，低放射性废料可以储存于近地表设施中。高放射性废料的放射性极强，必须在深埋地下的地质处置库中严格隔离和长期储存。
风险和挑战
在地球上复现太阳核心环境需要创造并维持极端高温高压条件。实现可控核聚变的核心挑战在于持续约束——即确保等离子体稳定聚集足够时长，使粒子碰撞与聚变反应持续发生。迄今最长纪录由中国EAST（全超导托卡马克核聚变实验装置）保持，其聚变反应持续时长达22分17秒。但就发电应用而言，必须实现反应堆稳定运行更长时间且停机时间可控。
第一个挑战是反应堆的设计，需要谨慎考虑“物理风险”和“工程风险”之间的平衡。在评估特定的聚变方法在科学和技术上是否可行时，了解相关差异至关重要。物理风险指指基础物理原理在工程可实现条件下能否达成净能量增益（Q>1）的不确定性。工程风险指建造可稳定运行且经济可行的聚变系统所面临的挑战。
一些初创公司有意识地承担更多的物理风险，以降低工程的复杂性，从而加快开发速度，降低反应堆的造价。国际热核聚变实验堆计划 （ITER） 等传统方法可以降低物理风险，但代价是巨大的工程风险和高昂的成本。在技术的商业化方面，每种方法都有各自的挑战。
第二个挑战在于反应堆内部腔室材料的研发困境——这些材料必须耐受聚变反应产生的高强度中子辐照。到目前为止，该工作还停留在理论探索阶段。材料频繁受损亟需配套维护系统，且须确保维护过程不干扰长期发电。材料能持续使用多长时间，以及工程师应当使用哪种材料目前还是未知数。
第三个挑战是如何有效地利用聚变反应增殖氚，确保持续提供燃料。增殖过程很复杂，需要稳定的温度，能够承受强烈的中子和热负荷，并能高效提取氚和热量。如果不能有效地增殖氚，整个聚变循环都会受阻。
第四个挑战是要将核聚变产生的能量转化为电力，必须能高效地处理聚变反应产生的密集热通量和中子通量。传统的热电厂（裂变、煤或燃气发电）也需要这种工艺，但聚变涉及极端条件，因此面临更大的挑战。商用聚变反应堆需要高效的热路径，使用能够承受严苛辐射和温度负荷的材料。
最后，经济可行性对于扩大商业核聚变发电厂的规模至关重要。目前，首堆研发成本很高，必须大幅降低成本方能扩大聚变发电规模，并取代其他能源。
结论
得益于材料科学领域的最新突破，叠加全球能源需求的持续增长、有利的资金支持及政策环境，核聚变有望在未来十年内发展为具备商业可行性的电力来源。若成功实现商业化，核聚变能源将助力满足日益增长的全球电力需求，同时降低对天然气、煤炭等高碳排放能源的依赖。
注释：
①核聚变市场估值预计将达到40万亿美元 | 洞察 | 彭博专业服务
②国际热核聚变实验堆计划（ITER） ：60 年的进步
③美国国会增加核聚变行业协会的聚变能源科研经费
④美国能源部公布1.07亿美元聚变创新研究引擎合作项目及NASA里程碑进展项目的入围者 | 美国能源部
⑤行业报告称融资困难仍是聚变发展的主要问题——《世界核新闻》
⑥谷歌与Commonwealth Fusion Systems签署战略合作伙伴关系 | Commonwealth Fusion Systems
⑦Helion宣布与微软签订聚变购电协议 | Helion
⑧聚变能源：联邦政府以实际行动支持能源创新和商业化的机会——清洁空气工作组
⑨聚变能源技术标准体系构建——Nuclear Engineering International
⑩Helion获得土地并开始建设世界第一座聚变发电厂 | Helion
⑪核能成真
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