近日召開的國常會審議通過《製造業綠色低碳發展行動方案(2025—2027年)》。大洋彼岸，特朗普宣佈核電新政，在2030年前啓動10座大型核電站建設 ，並在2050年前將美國核電產能翻四倍。本週的智通決策參考提到，這對核能、環保、光伏類會有一定提振。週一核能概念股如期大漲。主題概念投資需謹慎，高倉位長線投資，更是要多方面掌握供需情況和一手調研資料。FOREXBNB將美銀近期的實地考察報告進行整理，方便投資者“近距離”瞭解核聚變技術發展的最前沿情況。
美國銀行可持續發展、主題投資和公用事業研究團隊組織了一次實地考察，前往法國兩家領先的核聚變研究中心：最近打破了核聚變持續時間世界紀錄(22 分鐘)的法國原子能委員會(CEA)，以及目前正在建設中的全球最大核聚變研究項目國際熱核聚變實驗堆(ITER)。
爲何選擇此時?人工智能、材料科學和超級計算領域的突破正在加速測試，並拓展了潛在的反應堆設計。核聚變可能成爲脫碳的關鍵，通常被視爲能源轉型的聖盃，爲清潔能源提供了一條安全且可持續的途徑。
瞭解我們如何在地球上重現太陽的條件
核聚變是爲太陽和恆星提供能量的過程。在地球上重現這一過程可能會解鎖無限的清潔能源，其燃料(氘)在海水中含量豐富，且沒有連鎖反應或長期放射性廢物的風險(這是部署核裂變的關鍵挑戰)。要做到這一點，需要將氣體轉化爲比太陽熱 10 倍的等離子體，並控制它足夠長的時間，以獲得比創造這些條件所消耗的更多能量。這樣做的工程挑戰仍然很大 —— 尤其是在製造能夠承受反應堆內溫度和條件的材料方面 —— 但政府和私營企業都在朝着更長時間和更高溫度的核聚變方向加速進展。
ITER—— 全球最大的核聚變研究項目
ITER 是全球最大的核聚變研究基地，這是一個耗資 220 億美元的跨國項目，目標是證明大規模核聚變發電的可行性。在一次演講和參觀中，我們看到了正在建設中的用於產生核聚變的機器，以及包括低溫系統、燃料和能源在內的多個組件的組裝。高峯期需要高達 620 兆瓦的電力，其磁鐵產生的磁場強度理論上可以用來懸浮一艘航空母艦。雖然預計要到 2039 年才能全面運行，但從該項目中獲得的突破性技術可能會更早實現商業化。機器人技術、材料科學(用於飛機和火車的高強度部件)、改善醫療保健的精密診斷技術，以及增強人腦成像技術，都是迄今爲止 ITER 已提及的創新衍生技術。
CEA—— 迄今爲止的世界紀錄核聚變等離子體約束
美銀參觀了 CEA 的 WEST 託卡馬克核聚變反應堆，該反應堆最近創造了保持核聚變等離子體(5000 萬攝氏度，22 分鐘)的世界紀錄。該項目是 ITER 所需組件的測試。最終目標是控制等離子體更長時間，並將反應溫度提高到超過 1 億攝氏度。
美國銀行核聚變實地考察：2025 年 5 月
美國銀行可持續發展、主題投資和公用事業研究團隊爲投資者組織了一次實地考察，參觀法國的兩個開創性核聚變研究中心。我們訪問了法國的 CEA(法國替代能源和原子能委員會)以及位於法國聖保羅萊迪朗斯的 ITER(國際熱核聚變實驗反應堆)。兩者均使用託卡馬克裝置(一種磁約束聚變反應堆)來控制加熱到數百萬攝氏度的等離子體，並嘗試約束該過程中產生的能量。CEA 的裝置已建成，2016 年實現了首次等離子體(等離子體常被稱爲與固體、液體、氣體並列的物質第四態)。ITER 的機器規模將擴大 10 倍，但預計到 2034 年纔開始研究運行，2039 年全面投入使用。我們參觀了目前正在建設中的機器。
核聚變基礎知識：我們能否在地球上重現太陽的能量轉化過程?
核聚變是爲太陽和恆星提供能量的過程。在地球上重現這一過程的方法是將氫同位素融合，形成更大的原子，在此過程中產生大量能量。實現能夠以一定規模和成本效益捕獲能量並使其具有商業可行性的工程技術，仍是關鍵挑戰。這一過程需要將輕原子融合在一起釋放能量，正如阿爾伯特・愛因斯坦描述質量轉化爲能量的公式 E=mc² 所示。該過程需要非常高的溫度(比太陽高 10 倍，即1.5億攝氏度)、高粒子密度以及一定時間。這些因素在不同設備中可以相互權衡，其中大多數設備要麼使用磁場約束等離子體，要麼利用激光或電磁脈衝轟擊氫燃料靶來實現慣性約束聚變。
磁約束聚變：使用託卡馬克等裝置將等離子體約束在環形(甜甜圈形狀)中，加熱至數百萬度，並利用磁場將其維持足夠長的時間，使聚變發生並從中獲取有用的能量。這是一個像熔爐一樣的連續過程，不斷滴入燃料，使反應在低密度狀態下長時間持續進行。關鍵挑戰包括所需的材料(如複雜且昂貴的超導磁體)以及複雜的計算。人工智能、模擬技術以及未來的量子計算可能有助於解決這一問題。我們參觀的 CEA 和 ITER 都採用了這種方法。
慣性約束聚變：獲取燃料靶丸並迅速壓縮(例如用強大的激光或脈衝功率)，對其進行加熱和壓縮以產生等離子體，捕獲由高溫和高密度釋放出的能量。這是一個重複的脈衝過程，很像內燃機 —— 加入燃料，壓縮，釋放能量，然後重複。關鍵挑戰在於在反應發生的短時間內獲取足夠的能量，以及開發用於重複該過程的工程技術。我們參觀時，CEA 在另一个场地也在进行慣性約束聚變研究。
實現核聚變最容易的燃料組合是氘和氚(均爲氫的同位素) 。氘存在於水中，因此儲量豐富。最初會向核聚變過程中加入一些氚，不過在聚變過程中氚會再生。等離子體物理是其中的核心：將電子從原子核中分離出來會產生等離子體，若能將其捕獲並約束足夠長的時間，就能產生大量能量。這正是多個研究項目和企業試圖達成的目標。
爲何選擇核聚變?具有獨特特性的清潔基本負荷能源…… 還有熱能!
在探討核聚變能源可能帶來的益處時，法國替代能源和原子能委員會(CEA)以及國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)都強調，它能夠克服當今其他替代能源形式存在的若干缺點。具體而言，核聚變將實現零碳排放，可在任何地點部署，隨時調度，從而保障能源安全。此外，它還可用作工業和能源密集型過程(如未來的金屬生產、海水淡化或制氫)的熱能來源。所有這一切的關鍵不僅在於開發實現核聚變所需的工程技術，還在於以具有成本競爭力的方式做到這一點 —— 只有當核聚變反應堆發展到成熟階段時纔有可能實現。由於首次部署融入了重大技術發展，其成本可能遠高於其他替代方案。然而，鑑於燃料來源豐富(海水中的氘)且維護成本低，持續運營成本可能相對較低。例如，ITER 託卡馬克裝置一旦建成，理論上可使用長達 100 年。
一、ITER：全球最大的核聚變研究項目
參觀 ITER：國際熱核聚變實驗反應堆
ITER 是全球最大的核聚變研究項目，目標是證明大規模核聚變發電的可行性。這是一個跨國合作項目，資金既直接來自參與國政府，也通過私營部門製造所需部件和提供專業諮詢服務等形式獲得。在由傳播主管拉班・科布倫茨(Laban Coblentz)及其團隊主持的一場介紹和參觀活動中，我們看到了正在建設中的用於產生核聚變過程的託卡馬克裝置，以及包括低溫恆溫器、真空室和超導磁體在內的多個相關組件的組裝情況。
清潔能源未來的地緣政治
該項目的七個參與方分別是歐盟、美國、中國、印度、日本、韓國和俄羅斯 ，它們共同分擔項目成本，共享實驗成果以及項目產生的知識產權。項目的成功依賴於各參與國之間的合作 ，儘管在當前的地緣政治環境下困難重重。
科布倫茨表示，在他看來，各合作方的共同目標是打造一臺能夠改變歷史的機器，這不僅體現在加速清潔能源發展方面，還在於通過該項目催生出機器人技術、材料科學(尤其是磁體應用)以及人工智能與模擬技術等領域的突破性技術。此外，他還指出，選擇採用磁約束等離子體方法(而非慣性約束方法)嘗試核聚變的部分原因在於，這種方法不會在反應堆中產生鈈或濃縮鈾等可用於製造核武器的濃縮材料。
地球上的核聚變：比太陽核心熱 10 倍
核聚變是爲恆星和太陽提供能量的過程，通過引力將質量轉化爲能量。在地球上重現這一過程，需要比太陽核心更高的溫度，以彌補較弱的引力。這是通過精確控制的磁場來實現的，該磁場用於控制燃燒的等離子體。預期的結果是利用產生的熱量來發電。
邁向清潔且充足的能源：若我們能約束並塑造極熱等離子體
核聚變研究的關鍵目標是探尋一種可按需產生的基本負荷調度電力來源，其燃料來源豐富 —— 海水中的氘，以及在覈聚變反應過程中再生的氚，且不存在導致熱失控的連鎖反應風險，也不會產生長期存在的放射性廢物(這是部署核裂變的關鍵挑戰) 。要實現這一點，需通過注入氘氣和氚氣、電流、電磁波以及高能粒子，將氣體轉化爲比太陽熱 10 倍的等離子體。然而，實現這一過程的工程挑戰依然巨大，尤其是在製造能夠承受該過程的材料方面，這也是該項目耗時漫長的原因。
提高能量增益標準
儘管在過去幾年中，多個託卡馬克反應堆實現了核聚變，但尚未有反應堆達到顯著的能量增益，即所謂的 “三重積” (Q)—— 一種衡量磁場強度、密度和體積的指標。國際熱核聚變實驗堆(ITER)目標是實現 10 : 1 的能量增益比，這將通過擴大其機器的尺寸和規模來達成，相較於目前已使用的反應堆，包括我們參觀過的法國替代能源和原子能委員會(CEA)的 Tore Supra/WEST 反應堆。
材料科學、燃料循環和熱管理仍是關鍵挑戰
根據國際熱核聚變實驗堆(ITER)的觀點，要在更大規模上成功實現核聚變並邁向具有商業可行性的反應堆(在能量增益和成本方面) ，主要還存在以下關鍵挑戰：
1)製造能夠抵禦極端高溫和中子潛在損傷的材料;
2)熱管理(既要轉移反應產生的熱量，也要移除熱量用於發電);
3)燃料循環 —— 創造條件使氚在反應中實現自我再生，目前尚未在大規模上持續實現這一點。
強大到足以舉起航空母艦的超導磁體
超導磁體用於在覈聚變過程中約束和控制等離子體。據國際熱核聚變實驗堆(ITER)介紹，正在建造的磁體將產生 13 特斯拉的磁場，僅中央螺線管理論上就強大到足以舉起一艘航空母艦。我們參觀了其建造現場，目前 7 個模塊中已有 6 個完成組裝。
電力供應：高峯期高達 620 兆瓦
爲了運行國際熱核聚變實驗堆(ITER)正在建設的大規模設備，該場地設有一條專用的高壓(400 千伏)電力線，從附近的法國替代能源和原子能委員會(CEA)場地延伸而來，將 ITER 與電網相連。等離子體運行高峯期的電力需求在 110 兆瓦到 620 兆瓦之間。一个专用变电站將电力转换为中间水平(69 千伏)。冷却水和低温系统將消耗约 80% 的電力供應，但在等離子體運行期間，需要第二個脈衝電力系統爲超導磁體和加熱系統提供足夠的能量。兩臺柴油發電機可在緊急情況下提供備用電源。
ITER 時間表：10 - 15 後年投入運行
由於熱屏蔽泄漏、應力腐蝕導致管道開裂等設備和技術問題，以及監管和交付方面的延遲，ITER 項目的時間表最近有所推遲。因此，原定於 2035 年進入等離子體運行階段的目標，現在改爲 2039 年。然而，該項目已經爲正在研發的技術和材料創造了商業潛力，比如用於推進人腦圖譜繪製、驅動磁懸浮列車的超導磁體，以及在航空航天和高精度診斷等要求嚴苛的行業中使用的高強度部件。
ITER 施工現場探祕
作爲參觀行程的一部分，我們參觀了託卡馬克裝配室和託卡馬克大樓內部，還乘坐巴士參觀了其他主要建築，包括動力源設施、低溫恆溫器車間和低溫設備廠。
此次實地參觀的兩大關鍵亮點是：
裝配大廳：託卡馬克組件正在一座 100 米長、60 米高的專用建築內進行組裝，我們在參觀時看到了這一場景，還看到了磁線圈的組裝情況。
託卡馬克坑：建成後的真空室寬 19 米、高 11 米，重 5200 噸，待熱分流裝置及其他設備安裝完成後，重量將增至 8500 噸。目前我們看到其九分之一的部分正在組裝。
二、CEA：低碳能源之城
參觀 CEA：國際低碳能源研發中心
我們參觀了 IRFM(法國磁約束聚變研究所)，它是法國替代能源和原子能委員會(CEA)下屬的磁約束聚變研究機構。該研究所位於法國南部卡達拉舍，毗鄰 ITER，Tore Supra 是 IRFM 管理的核聚變項目，於 1988 年開始運行，是世界上第一個成功使用超導磁體以及主動冷卻面向等離子體部件的託卡馬克裝置。
磁約束聚變研究所將核聚變視爲一種潛在的未來能源。我們參觀了他們的低碳能源研發基地，包括利用藻類和其他材料創造能源的生物技術設施，還參觀了 WEST 託卡馬克核聚變反應堆，該反應堆最近創造了保持核聚變等離子體(22 分鐘，5000 萬攝氏度)的世界紀錄。
材料選擇助力核聚變突破
數十年的託卡馬克發展歷程，將可行的偏濾器材料選擇縮減至僅兩種：碳纖維複合材料(CFC)和鎢。2000 年至 2002 年間，Tore Supra 進行了升級，配備了新型限制器，其功能類似於 ITER 偏濾器，旨在處理高達每平方米 10 兆瓦的 ITER 相關熱負荷。
此次升級表明，雖然 CFC 限制器在管理峯值功率負荷和維持等離子體兼容性方面表現出色，但由於限制器中的碳與等離子體中的氫同位素之間發生化學反應，它們也會遭受嚴重侵蝕。
2012 年，決定對 Tore Supra 進行改造，以支持 ITER 的開發，項目更名爲 WEST(穩態託卡馬克中的鎢，其中 W 代表鎢)。這一改造旨在驗證技術並加速 ITER 的進展，同時減少時間和成本。作爲 WEST 升級的一部分，所有碳基材料都從真空室中移除。安裝了磁線圈，以將真空室中的等離子體從圓形重新塑造爲 D 形，並相應地重新配置了加熱系統。Tore Supra 從限制器配置轉變爲偏濾器配置，初始實驗活動於 2016 年開始。
WEST 作爲 ITER 所需組件的測試平臺
最初，ITER 計劃從 2027 年開始使用 CFC 偏濾器，之后切换为钨偏濾器，在氘 - 氚核聚變運行之前進行。然而，ITER 如果从一开始就安装钨偏濾器，就能夠降低成本，並在非核階段更早地積累使用鎢的運行經驗，這是 WEST 項目取得進展的直接成果，而近期的世界紀錄等離子體持續時間驗證了該成果。
WEST 最大的運行目標之一
我們進入了場地，參觀了控制室和託卡馬克大廳。目前，WEST 的等離子體半徑爲 2.4 米，是世界上最大的運行託卡馬克裝置之一。該項目的最終目標之一是控制等離子體更長時間，同時確保組件與 50 兆戈瑞(輻射吸收劑量單位)的輻射以及超過 1 億攝氏度的溫度兼容。
每次核聚變實驗花費 2 萬歐元
控制室會在覈聚變實驗前觀察各項條件，在放電前準備參數，在放電過程中監控所有參數。由一組等離子體診斷物理學家負責監管所有測量儀器。目前，每次核聚變實驗的成本爲 2 萬歐元，這限制了該場地能夠進行的測試數量。大部分成本源於每次等離子體運行所需的大量能量。
