電力設(shè)備行業(yè)市場前景及投資研究報告：可控核聚變科幻商業(yè)

可控核聚變：從科幻到商業(yè)——電力設(shè)備行業(yè)深度報告2024年04月30日摘要?

可控核聚變的優(yōu)勢和原理：核聚變能即小質(zhì)量元素的原子核（通常是氘和氚）聚合成為重核所釋放的能量。與核裂變相比，可控核聚變釋放能量大，原料豐富，安全可靠、不產(chǎn)生放射性廢物，2023年國務(wù)院國資委啟動實施未來產(chǎn)業(yè)啟航行動，明確可控核聚變領(lǐng)域為未來能源的唯一方向。“聚變”的實現(xiàn)需要同時滿足三個條件：足夠高的溫度、一定的密度和一定的能量約束時間，聚變的“可控”理論上通過可磁約束、激光約束和箍縮實現(xiàn)，目前世界上主流路線為磁約束裝置托卡馬克。?

當(dāng)前進展與商業(yè)化可能：1968年后蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明的托卡馬克裝置成為主流路線，并經(jīng)歷了托卡馬克→超導(dǎo)托卡馬克→全超導(dǎo)托卡馬克的技術(shù)迭代升級。2006年，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國等正式簽署ITER協(xié)定并于2007年成立ITER國際組織實施計劃，項目總計劃投資高達200億歐元。2023年，美國NIF裝置創(chuàng)造能量凈輸出記錄，日本JT-60SA也成功實現(xiàn)點火，我國EAST裝置也不斷刷新等離子體運行記錄。據(jù)美國聚變能協(xié)會FIA統(tǒng)計，截至2023年初全世界核聚變公司吸引了超過60億美元的投資，全球43家聚變能公司中有26家認為聚變供電將在2035年之前實現(xiàn)，19家認為屆時聚變發(fā)電將具備商業(yè)可行性。我國目前有2個前期建設(shè)階段項目，總投資計劃接近300億元，將為相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈提供重大機遇。?

可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈：可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈上游為原材料，包括第一壁材料鎢、高溫超導(dǎo)帶材原料REBCO和氘氚燃料；中游為相關(guān)設(shè)備，核心設(shè)備包括超導(dǎo)磁體、第一壁和偏濾器，其中超導(dǎo)磁體占總投資成本約40-50%。高溫超導(dǎo)磁體可大幅提升磁場強度，是裝置運行的核心部件，第一壁的作用是控制進入等離子體的雜質(zhì)、傳遞輻射到材料表面的熱量等，偏濾器的作用是控制等離子體與真空室壁面的相互作用，減少壁面的熱負荷和粒子轟擊；產(chǎn)業(yè)鏈下游為應(yīng)用環(huán)節(jié)，核聚變技術(shù)主要用于發(fā)電、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域。?

投資建議：近年來，全球領(lǐng)域可控核聚變技術(shù)突破和商業(yè)投資加速，將為相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈帶來重大機遇。首次覆蓋，給予行業(yè)“推薦”評級。個股方面，建議關(guān)注超導(dǎo)磁體環(huán)節(jié)聯(lián)創(chuàng)光電，高溫超導(dǎo)帶材制造商精達股份、永鼎股份，低溫超導(dǎo)帶材西部超導(dǎo)，偏濾器制造商國光電氣、安泰科技等。?

風(fēng)險提示：行業(yè)政策不及預(yù)期，重要技術(shù)進展不及預(yù)期，相關(guān)投資不及預(yù)期，建設(shè)進展不及預(yù)期，運行實驗結(jié)果不及預(yù)期，設(shè)備交付不及預(yù)期，商業(yè)化進展不及預(yù)期，重點關(guān)注公司業(yè)績不及預(yù)期等。目

錄1可控核聚變：“聚變”與“可控”的原理當(dāng)前進展與商業(yè)化可能可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈2345相關(guān)公司及投資建議風(fēng)險提示01核能分為裂變能和聚變能?

核能是一種清潔高效的能源，核變化釋放的能量可以分為兩種類型：1）核裂變（nuclearfission），即重元素的原子核分裂為質(zhì)量較輕元素的原子核時所釋放的能量。鈾是核裂變的關(guān)鍵原料，鈾原子在中子的轟擊下會裂變?yōu)殇^和氪，裂變時會產(chǎn)生大量能量，同時還會產(chǎn)生3個新的中子，激發(fā)其他鈾原子裂變。目前核能發(fā)電用的主要是裂變技術(shù)，核裂變技術(shù)還用于原子彈中。2）核聚變（nuclearfusion），即小質(zhì)量元素的原子核聚合成為重核所釋放的能量。氘和氚聚合在一起會產(chǎn)生氦和1個中子，同時可以釋放出能量。圖1：核裂變示意圖圖2：核聚變示意圖數(shù)據(jù)

：洞察化學(xué)，華龍證券研究所數(shù)據(jù)

：洞察化學(xué)，華龍證券研究所01可控核聚變能量密度高、原料豐富、安全無污染?

與核裂變相比，可控核聚變釋放能量大，原料豐富，安全可靠、環(huán)境友好、產(chǎn)生的放射性廢物少。能量密度來看，每單位質(zhì)量的聚變?nèi)剂厢尫懦龅哪芰渴橇炎兊?倍；原材料來看，聚變?nèi)剂贤ǔＪ褂秒碗?，地球上氘儲量豐富，氚可以通過中子和鋰制備，而核裂變采用的鈾元素我國儲量有限仍需進口，2023年進口量1.7萬噸，進口金額達到19億美元；安全性來看，聚變實現(xiàn)難度高，且不產(chǎn)生放射性廢料，而核裂變是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，難以控制，并產(chǎn)生大量放射性物質(zhì)，切爾諾貝利（1986年）和福島（2011年）福島核事故曾造成巨大危害。?

2023年國務(wù)院國資委啟動實施未來產(chǎn)業(yè)啟航行動，明確可控核聚變領(lǐng)域為未來能源的唯一方向。圖3：核聚變的優(yōu)勢?

每單位質(zhì)量的聚變?nèi)剂厢尫懦龅哪芰渴橇炎兊乃谋?，“燃燒”一千克氘相?dāng)于四千克鈾，相當(dāng)于七千噸汽油或一萬噸煤。圖4：我國鈾資源進口量能量密度高原材料充足安全可控?

地球上氘的含量豐富，每升海水中含有0.03克氘，地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。?

氚可通過中子和鋰作用產(chǎn)生，而海水中含有大量鋰。?

按目前世界能源消費的水平，核聚變?nèi)剂峡晒┤祟愂褂蒙蟽|年。?

核聚變堆的聚變反應(yīng)條件要求極端，需高達上億攝氏度的超高溫的條件下進行，且需要燃料的持續(xù)輸入，某環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，反應(yīng)就會自動終止，不會出現(xiàn)“失控”鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。?

可控核聚變過程中只會產(chǎn)生少量的氦氣，不產(chǎn)生高放射性、長壽命的核廢物，也不會產(chǎn)生二氧化碳或其他有害氣體環(huán)保無污染數(shù)據(jù)：Wind，華龍證券研究所數(shù)據(jù)：創(chuàng)新中心CXZX，華龍證券研究所01由于反應(yīng)原理不同，核聚變進度不及核裂變ll核裂變從實驗室走向裂變電站僅用了約10年。1939年，科學(xué)家首次揭示了鈾原子核的分裂現(xiàn)象；1945年，利用核裂變原理制造出的第一顆原子彈在美國阿拉莫戈多沙漠爆炸；3年后，第一座核裂變電站便在美國田納西州橡樹嶺實現(xiàn)發(fā)電。1951年，利用核聚變原理制造的氫彈在太平洋上的恩尼威托克島實現(xiàn)爆炸，然而至今70年人類依然未能實現(xiàn)可控核聚變發(fā)電。核聚變無法復(fù)制核裂變發(fā)電的模式。從核裂變的反應(yīng)方程式可以看出，核裂變的觸發(fā)需要中子（n）。當(dāng)鈾核由1個中子引發(fā)裂變時，會同時放出2-3個中子，這些中子可以再引起其他鈾核裂變，裂變反應(yīng)可不斷持續(xù)下去，這一過程也被稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。通過加入控制棒吸收核裂變產(chǎn)生的中子，可以控制核裂變的反應(yīng)速率，從而實現(xiàn)核裂變發(fā)電。而核聚變的反應(yīng)過程則不需要中子，因此無法復(fù)制核裂變控制反應(yīng)速率的方式。圖5：核裂變發(fā)展路線示意圖圖6：核聚變無法復(fù)制裂變發(fā)電的模式數(shù)據(jù)：《核裂變——無盡的探索》裴俊琛等，華龍證券研究所數(shù)據(jù)：深度產(chǎn)業(yè)研究院，華龍證券研究所01如何實現(xiàn)“聚變”:溫度、密度、時間ll實現(xiàn)核聚變反應(yīng)，需要同時滿足三個條件：足夠高的溫度、一定的密度和一定的能量約束時間，三者的乘積稱為聚變?nèi)朔e。根據(jù)勞遜判據(jù)，只有聚變?nèi)朔e大于一定值，才能產(chǎn)生有效的聚變功率輸出。1）足夠高的溫度：要在地球?qū)崿F(xiàn)高效核聚變反應(yīng)，溫度大約需要維持在1億℃以上可獲得較高反應(yīng)幾率，這個溫度是太陽核心溫度的近10倍；2）一定的密度：等離子體約束區(qū)單位體積內(nèi)氘氚原子核的數(shù)量越多，能夠有效提高原子核間的碰撞效率，以獲得足夠的核聚變反應(yīng)率；3）能量約束時間：高溫等離子體的能量以輻射和熱傳導(dǎo)的形式逸出，能量損失的時間被定義為能量約束時間，高能量約束時間意味著裝置具有良好的隔熱性能，能量流失得緩慢，以進一步提高核聚變反應(yīng)率。圖7：實現(xiàn)聚變反應(yīng)的三要素數(shù)據(jù)

：《超導(dǎo)磁體技術(shù)與磁約束核聚變》王騰，華龍證券研究所01如何實現(xiàn)“可控”：我國以磁約束路線為主l解決核聚變溫度、密度、約束時間三個方面的“可控”主要有三種路徑：磁約束、激光約束和箍縮。1）激光約束：采用多臺超大功率激光器，對準(zhǔn)封裝核燃料的氫氣小球，同時發(fā)射激光，加熱和壓縮氫燃料，激光在進入環(huán)空器后，會擊中內(nèi)壁并使其發(fā)出X射線，然后這些X射線可以將其加熱到1億攝氏度，高能激光會使小球表面等離子體化，其余中心材料受到牛頓第三定律驅(qū)使，最終會向中央坍縮發(fā)生內(nèi)爆。在內(nèi)爆時，只要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發(fā)生反應(yīng)，放出大量能量。2）箍縮：跟激光聚變類似，把激光換成電流。3）磁約束：利用磁場約束帶電粒子沿磁力線運動，發(fā)生核聚變反應(yīng)需要把核聚變?nèi)剂想凹訜岬缴蟽|度，形成等離子體，使得質(zhì)子不被電子包裹，做高速熱運動，兩個質(zhì)子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生熱量；由于等離子體溫度極高，通過磁場約束質(zhì)子運動，從而避免等離子體接觸到容器。磁約束核聚變被看做較為可行的路徑，我國采用的是磁約束路線。表1：三個“可控”的實現(xiàn)方式磁約束圖8：世界上最大的激光聚變裝置NIF（美國）激光聚變箍縮典型裝置控制密度控制溫度托卡馬克和仿星器激光聚變裝置(NIF，

Z-pinch,θ-神光)pinch使用磁場防止等離子體

外力壓縮(激光)外泄外力壓縮(電流)外界能量注入外力壓縮時直接加熱控制約束時間

調(diào)整等離子體的運行模

能量耗散難以控制，因此希望聚變功率足式，延長約束時間

夠高，使聚變功率大于能量耗散：《超導(dǎo)磁體技術(shù)與磁約束核聚變》王騰等，華龍證券研究所數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)：中國物理學(xué)會期刊網(wǎng)，華龍證券研究所01如何實現(xiàn)“可控”：托卡馬克裝置是主流ll磁約束核聚變實現(xiàn)裝置主要是托卡馬克和仿星器。托卡馬克在1958年由蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明，主要由環(huán)形真空室、產(chǎn)生磁場的線圈和其他輔助設(shè)施組成。中央是一個環(huán)形真空室，里面注滿氣體，外面纏繞著線圈。線圈通電后，會在托卡馬克內(nèi)部產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，里面的氣體將被電離成等離子體并形成等離子體電流。當(dāng)?shù)入x子體被加熱到極高溫度后，便可實現(xiàn)核聚變。ll相比仿星器，托卡馬克的優(yōu)點在于：1）結(jié)構(gòu)簡單、造價低，只需要真空室和線圈，線圈的結(jié)構(gòu)是規(guī)則的，比仿星器扭曲的線圈造價低太多。生產(chǎn)周期更短，規(guī)則的線圈可以很快造出來，裝置迭代也更快。2）加熱成本低，可以直接依靠線圈進行加熱，而仿星器不能依靠線圈直接加熱，只能依靠比較昂貴的微波和中性束的手段去加熱。托卡馬克是目前全球各國投入最大、最接近核聚變條件、技術(shù)發(fā)展最成熟的途徑。圖9：“托卡馬克”釋義圖10：托卡馬克裝置圖11：仿星器裝置數(shù)據(jù)：華龍證券研究所數(shù)據(jù)：萬象經(jīng)驗，華龍證券研究所目

錄1可控核聚變：“聚變”與“可控”的原理當(dāng)前進展與商業(yè)化可能可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈2345相關(guān)公司及投資建議風(fēng)險提示021968年后托卡馬克裝置成為主流，發(fā)展迅速l托卡馬克裝置成為主流后，相關(guān)研究發(fā)展迅速。氫彈研究出來之后，前蘇聯(lián)和美、英等各國就投入到可控核聚變的開發(fā)當(dāng)中。世界上首臺托卡馬克T-1裝置由阿奇莫維奇等人設(shè)計、建造，1958年建成并開始運行。兩次升級改造之后，1968年8月，在蘇聯(lián)新西伯利亞召開的第三屆等離子體物理和受控核聚變研究國際會議上，科學(xué)家阿齊莫維齊宣布在蘇聯(lián)的T-3托卡馬克上產(chǎn)生了1000萬度等離子體。這遠遠超過其他各種裝置上的參數(shù)，此后托卡馬克的研究進入了高速發(fā)展的時代。l各國相繼建造或改建了一批大型托卡馬克裝置，比較著名的有美國的TFTR，歐盟的JET，日本的JT60和蘇聯(lián)的T-15

。隨著托卡馬克的裝置越建越大，產(chǎn)生的等離子體溫度也越來越高。20世紀(jì)80年代比較著名的托卡馬克有：美國的TFTR，歐盟的JET，日本的JT60和蘇聯(lián)的T-15，以上四個裝置被稱為“四大托卡馬克”。其中除了T-15由于蘇聯(lián)解體的特殊原因沒有成功運行之外，其他裝置陸續(xù)取得了許多重要成果。圖12：TFTR、JET和JT-60的運行成果表2：托卡馬克路線上的高速發(fā)展時間

裝置

事件1968

T-3（蘇聯(lián)）

觀察到顯著更好的約束效果，托卡馬克裝置成為主流1970

T-4（蘇聯(lián)）

實驗中觀察到中子，標(biāo)志著首次在磁約束環(huán)境下實現(xiàn)聚變1973

T-3（蘇聯(lián)）

通過微波輔助加熱，電子溫度首次上升至一億度1978

PLT（美國）

通過中性束輔助加熱，離子溫度首次上升至一億度數(shù)據(jù)

：中科院之聲，華龍證券研究所數(shù)據(jù)

：中科院之聲，華龍證券研究所02托卡馬克→超導(dǎo)托卡馬克，解決大電流和損耗問題，延長運行時間圖13：超導(dǎo)托卡馬克發(fā)展歷程及運行成果l世界上第一個超導(dǎo)托卡馬克是1978年蘇聯(lián)的T-7，它在工程上驗證了超導(dǎo)磁體能夠在托卡馬克上實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)態(tài)運行。聚變電站要求數(shù)億度的等離子體必須實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行，然而之前裝置的運行結(jié)果僅僅持續(xù)數(shù)秒鐘，這是因為用來產(chǎn)生磁場的電流非常大，常規(guī)托卡馬的磁場線圈不能長時間負荷，無法實現(xiàn)連續(xù)運行，于是超導(dǎo)技術(shù)被引入到托卡馬克的線圈上，以解決大電流和損耗的問題。l1993年HT-7建成，中國成為世界上繼俄、法、日之后第四個擁有超導(dǎo)托卡馬克的國家。HT－7的建成和成功運行使中國在托卡馬克相關(guān)的超導(dǎo)、低溫制冷、強磁場等研究都登上新的臺階。2008年，HT-7實現(xiàn)了長達400s的等離子體放電，這是當(dāng)時國際同類裝置中時間最長的等離子體放電。2012年，HT-7在全面完成預(yù)定科學(xué)技術(shù)目標(biāo)的背景下正式退役。02超導(dǎo)托卡馬克→全超導(dǎo)托卡馬克ll超導(dǎo)材料的全面應(yīng)用推動托卡馬克裝置性能提升。上述的超導(dǎo)托卡馬克準(zhǔn)確來說是“半超導(dǎo)托卡馬克”，因為基本都只在縱場線圈部分實行了超導(dǎo)，而其他線圈還是用的普通導(dǎo)體材料。東方超環(huán)EAST由等離子體所于1996年提出，2006年建成，項目總經(jīng)費1.65億元，是世界上第一個在所有磁體上都使用超導(dǎo)材料的全超導(dǎo)托卡馬克。EAST高11米、直徑8米、重達400噸，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)由16個縱場TF線圈、6個等離子體控制PF線圈和6個中央螺線管CS線圈組成。EAST所有磁體都選用了鈮鈦合金NbTi作為超導(dǎo)材料，所有線圈均采用了導(dǎo)管內(nèi)電纜CICC技術(shù)，以提供非常高的工作電流和足夠的抗交流損耗能力。表3：世界在運全超導(dǎo)托卡馬克主體建成時間

基本情況HT-7升級，經(jīng)費1.65億元。2016年，實現(xiàn)超5000萬攝氏度102圖14：ESAT的單個TF線圈和超導(dǎo)縱場TF磁體系統(tǒng)秒等離子體運行；2017年，實現(xiàn)101秒高約束模等離子體運行；2021年，實現(xiàn)1.2億攝氏度101秒等離子體運行；2023年4月12日，創(chuàng)造403秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運行的世界紀(jì)錄KSTAR是世界上首一個采用新型超導(dǎo)磁體（Nb3Sn）材料產(chǎn)生磁場的全超導(dǎo)聚變裝置，磁場強度是使用鈮鈦系統(tǒng)核聚變裝置的3倍多。KSTAR項目于1995年開始建設(shè)，2008年開始運行。設(shè)備耗資約4億美金。中國EAST2006年韓國KSTAR

2008年Tore-Supra升級。2015年法國原子能委員會啟動升級計劃，2018年合肥等離子體所獲得承擔(dān)WEST裝置456件鎢銅部件的研制任務(wù)，2020年9月完成全部交付。法國WEST-JT-60U升級。歐洲聚變能組織（F4E）和日本量子科學(xué)技術(shù)研日本JT-60SA

2023年

究所（QST）合作開發(fā)，2023年11月點火證明該裝置實現(xiàn)了基本功能，可將等離子體加熱到2億攝氏度并維持約100秒。數(shù)據(jù)：中國工程科學(xué)，中國科學(xué)報，星環(huán)聚能，中科院合肥研究院等離子體所，數(shù)據(jù)：深圳大學(xué)學(xué)報理工版，華龍證券研究所中科院之聲，華龍證券研究所02國際合作：國際熱核聚變堆ITERlITER由中國、美國、歐盟等7國共同建設(shè)，總投資達200億歐元。數(shù)代托卡馬克的研究證實裝置越大，磁場越強，越容易實現(xiàn)聚變反應(yīng)和獲得聚變能源，然而建造一個小型的托卡馬克裝置需要花費數(shù)億-數(shù)十億人民幣，建造一個實驗堆的投入需要數(shù)百億-千億人民幣。1985年，蘇聯(lián)、美國、歐盟、日本最先發(fā)起倡議建立國際熱核聚變堆ITER，并于2001年完成最終設(shè)計報告。2006年，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國等正式簽署ITER協(xié)定并于2007年成立ITER國際組織實施計劃，項目總計劃投資高達200億歐元。lITER可分為主體部分、配套系統(tǒng)。主體部分研制難度大，主要包括磁體系統(tǒng)、真空室、真空杜瓦、包層模塊、偏濾器五個部分。配套系統(tǒng)需支撐龐大的裝置運轉(zhuǎn)，復(fù)雜性強，主要包括電源系統(tǒng)、加熱與電流驅(qū)動系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)等。中國承擔(dān)了ITER裝置9%的采購包任務(wù)，中科院等離子體物理研究所是中方任務(wù)的主要承擔(dān)單位，自2009年以來主持了超導(dǎo)導(dǎo)體、校正場線圈、磁體饋線系統(tǒng)等制造任務(wù)。圖15：ITER各國貢獻投資占比圖16：ITER裝置示意及中國負責(zé)的部分數(shù)據(jù)：中科院物理所，華龍證券研究所數(shù)據(jù)：中科院物理所，華龍證券研究所02國際進展：各國可控核聚變技術(shù)快速突破?

世界各國核聚變技術(shù)實現(xiàn)快速突破。2023年11月，美國NIF裝置創(chuàng)造能量凈輸出記錄，日本JT-60SA也成功實現(xiàn)點火。?

MIT研究證明高溫超導(dǎo)應(yīng)用于聚變堆有可行性。2018年以來，MIT及其衍生公司CFS公司募資約30億美元，采用REBCO進行高溫超導(dǎo)緊湊型聚變裝置SPARC研究，投資人包括比爾蓋茨、谷歌等。2021年其研制的單個10噸縱場磁體模型線圈磁場強度達到了20tesla，即建造核聚變發(fā)電廠所需的磁場強度；2024年3月CFS發(fā)表報告進一步證明其2021年的實驗設(shè)計可行。后續(xù)SPARC裝置18個20噸體量的縱場磁體聯(lián)合運行，還需要考慮等離子體破裂（MDE）、垂直位移（VDE）等極端工況。圖17：MIT研制的縱場磁體模型線圈TFMC實圖表4：國際核聚變裝置近期進展主體時間裝置類型

進展2022年12月首次實現(xiàn)可控核聚變點火成功，2023年陸續(xù)進行美國國家點火設(shè)施NIF2023年11月

激光聚變

3次點火實驗成功，其中2023年12月14日實現(xiàn)3.88兆焦耳的輸出能量、2.2兆焦耳的輸入能量，創(chuàng)下歷史最高。磁約束-

JT-60SA成功點火，成為實用核聚變能源漫長發(fā)展進程中的托卡馬克

一個里程碑日本JT-60SA

2023年11月俄羅斯T-15MD

2023年4月磁約束-

2023年4月，T-15MD托卡馬克裝置首次實現(xiàn)穩(wěn)定等離子體。托卡馬克

該裝置2021年5月物理啟動，現(xiàn)正在穩(wěn)定運行。在平均加熱功率為2.7MW的情況下實現(xiàn)了1.3吉焦耳的能量周轉(zhuǎn)，放電持續(xù)了480秒。這也是Wendelstein7-X的新紀(jì)錄，也是全球最佳價值之一。磁約束-仿星器歐洲W7-X裝置

2023年在歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）中，將氫的同位素氘和氚加熱到了1.5億攝氏度并穩(wěn)定保持了5秒鐘，同時核聚變反應(yīng)發(fā)生，原子核融合在了一起，釋放出59兆焦耳的能量。磁約束-托卡馬克歐洲JET裝置

2021年12月數(shù)據(jù)

：激光制造網(wǎng),財聯(lián)社,中核智庫,中國核技術(shù)網(wǎng),Deeptech，華龍證券研究所數(shù)據(jù)

：風(fēng)云之聲，華龍證券研究所02我國進展：已建裝置技術(shù)全球領(lǐng)先l我國核聚變關(guān)鍵技術(shù)已達到全球領(lǐng)先水平。我國核聚變能研究開始于20世紀(jì)60年代初，從20世紀(jì)70年代開始，我國選擇了托卡馬克為主要研究路線。1993年，中國科學(xué)院等離子體物理研究所建成了第一臺超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7。2002年，核工業(yè)西南物理研究院建成了具有偏濾器位形的中國環(huán)流器二號Ａ裝置（HL-2A），2006年，世界上第一臺全超導(dǎo)托卡馬克裝置東方超環(huán)（EAST）首次成功放電。l2023年12月29日，由中核集團牽頭，25家央企、科研院所和高校組成了可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體，正式揭牌中國聚變能源有限公司，核聚變研究和建設(shè)正在加速推進。表5：我國已建成的核聚變裝置近年來的突破性運行成果時間裝置所屬單位運行成果建成并實現(xiàn)首次放電，標(biāo)志著我國自主掌握大型先進磁約束核聚變實驗裝置的設(shè)計、建造、運行技術(shù)，并為深度參可ITER計劃及未來自主設(shè)計建造聚變堆提供重要技術(shù)支撐。中國環(huán)流器二號M裝置2020年12月核工業(yè)西南物理研究院中國科學(xué)院等離子體物理研究所2021年12月2022年10月東方超環(huán)EAST中國環(huán)流三號實現(xiàn)1056秒的長脈沖等離子體運行，在長脈沖高參數(shù)運行方面取得新突破。等離子體電流突破115萬安培，標(biāo)志著我國核聚變研發(fā)向聚變“點火”邁進重要一步。核工業(yè)西南物理研究院中國科學(xué)院等離子體物理

EAST在第122254次實驗獲得403秒穩(wěn)態(tài)高約束等離子體，創(chuàng)造該參數(shù)下運行時間2023年4月東方超環(huán)EAST研究所新的紀(jì)錄。首次實現(xiàn)100萬安培等離子體電流高約束模運行，再次刷新中國磁約束聚變裝置運行紀(jì)錄，標(biāo)志我國掌握可控核聚變高約束先進控制技術(shù)。2023年8月中國環(huán)流三號核工業(yè)西南物理研究院數(shù)據(jù)：中國物理學(xué)會期刊網(wǎng)，央視財經(jīng)，華龍證券研究所02我國進展：2個前期建設(shè)項目，投資近300億?

我國目前有2個前期建設(shè)階段項目，總投資計劃接近300億元，將為相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈提供重大機遇。一是聚變新能計劃建設(shè)緊湊型聚變能裝置BEST，已于2023年8月獲批，總投資約85億；二是中核聚變計劃建設(shè)聚變-裂變混合堆，已于2023年11簽約，總投資超200億元。表6：我國主要建設(shè)中可控核聚變項目裝置所屬單位類型總投資-技術(shù)目標(biāo)計劃進展/最新進展中國聚變工程實驗堆CFETR國家科技部（聯(lián)合中科院、核工業(yè)西南物理研究院等多個單位）工程堆I期:工程驗證,O=1~5,穩(wěn)態(tài),200MW,10dpaⅡ期:示范驗證,O>10,穩(wěn)態(tài),1000MW,50dpa將于2030s建造完成，2050s建設(shè)原型電站。CRAFT全面建成后將是最高參數(shù)和最完備功能的磁約束核聚變研究平臺，保證未來聚變工程堆建設(shè)和關(guān)鍵部件研發(fā)的順利進行洪荒70能量奇點(團隊主要

基于全高溫

-將驗證將全高溫超導(dǎo)磁體應(yīng)用于托卡馬克裝置的科學(xué)和工程可行性，為研制下一代先進裝置打下堅實基礎(chǔ)2024年3月建成，將開始磁體降溫和調(diào)試運行，以盡快實現(xiàn)等離子體放電，是全球首臺全高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置。預(yù)計在2024年第二季度，星環(huán)聚能將實現(xiàn)等離子體加熱至1700萬攝氏度，完成公司可控聚變方案初步工程驗證的所有環(huán)節(jié)。來自清華大學(xué)工程物理系核能所可控聚變實驗室)超導(dǎo)磁體的緊湊型托卡馬克實驗裝置緊湊型聚變能實驗裝置聚變新能（蔚來投資、中科院合肥研究院等離子體所技術(shù)支持）緊湊型托卡

約85億馬克實驗裝置2023年8月24日獲合肥市廬陽區(qū)2023年開工，2026年建成運行批復(fù)，計劃于（BEST）聚變-裂變

中核聚變（核工業(yè)混合堆超200億

技術(shù)目標(biāo)Q值大于30，實現(xiàn)

2023年11月12日簽約，預(yù)計2024年開工。連續(xù)發(fā)電功率100MW混合堆物理西南研究院子公司）/聯(lián)創(chuàng)超導(dǎo)數(shù)據(jù)：科技導(dǎo)報，安徽省，能量奇點，亞布力企業(yè)家論壇，中復(fù)前沿，核能號，工業(yè)能源圈，華龍證券研究所02行業(yè)預(yù)期：首座聚變電站未來10年并網(wǎng)發(fā)電圖18：全球可控核聚變領(lǐng)域公司數(shù)量及分布（家）?

全球可控核聚變商業(yè)化投資加速。根據(jù)美國的聚變能產(chǎn)業(yè)協(xié)會（FIA）于2023年7月發(fā)布的《2023年聚變能產(chǎn)業(yè)報告》，截至2023年初，全世界核聚變公司吸引了超過60億美元的投資，較2022年初的總投資額增加14億美元，較2021年初的18.72億美元增加40多億美元。?

行業(yè)預(yù)期首座聚變電廠未來10年并網(wǎng)發(fā)電。2023年參與FIA調(diào)查的聚變能公司數(shù)量增加13家，總數(shù)量達到43家。其中，26家公司認為聚變供電將在2035年之前實現(xiàn)，19家公司認為隨著成本下降、效率提升，可控核聚變將在2035年前顯示出商業(yè)可行性，反映出行業(yè)對于聚變發(fā)展的信心。圖19：40家核聚變公司對于發(fā)電時間的預(yù)測（家）圖20：40家核聚變公司對于商業(yè)化時間的預(yù)測（家）數(shù)據(jù)：FIA，華龍證券研究所數(shù)據(jù)：FIA，華龍證券研究所數(shù)據(jù)：FIA，華龍證券研究所目

錄1可控核聚變：“聚變”與“可控”的原理當(dāng)前進展與商業(yè)化可能可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈2345相關(guān)公司及投資建議風(fēng)險提示03可控核聚變電站工作原理?

可控核聚變釋放出的大量核能，需要通過核電站轉(zhuǎn)化為電能。核燃料在反應(yīng)堆中通過核聚變產(chǎn)生的熱量加熱一回路高壓水，一回路水通過蒸汽發(fā)生器加熱二回路水使之變?yōu)檎羝Ｕ羝ㄟ^管路進入汽輪機，推動汽輪發(fā)電機發(fā)電。整個過程的能量轉(zhuǎn)換是由核能轉(zhuǎn)換為熱能，熱能轉(zhuǎn)換為機械能，機械能再轉(zhuǎn)換為電能。?

核電站一般分為兩部分：核島和常規(guī)島。?

核島：是整個核電站的核心，負責(zé)將核能轉(zhuǎn)化為熱能，是核電站所有設(shè)備中工藝最復(fù)雜、投入成本最高的部分，投資成本占比達到58%，并且市場參與者較少，主要包含的器件有第一壁、偏濾器。?

常規(guī)島：利用核聚變產(chǎn)生的能量，轉(zhuǎn)化成蒸汽，進行發(fā)電，主要包含蒸汽發(fā)生器、汽輪機、水泵、低溫系統(tǒng)等，與火電站類似。圖21：核聚變電站示意圖核能→

把水加熱→

變?yōu)檎羝?/p>

推動汽輪機發(fā)電→

電能核島常規(guī)島超導(dǎo)磁體第一壁偏濾器數(shù)據(jù)：頻譜科學(xué)，華龍證券研究所03核聚變上中下游設(shè)備拆分?

可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈上游為原材料，包括第一壁材料鎢、高溫超導(dǎo)帶材原料REBC0和氚氚燃料。?

中游為相關(guān)設(shè)備，核心設(shè)備包括超導(dǎo)磁體、第一壁和偏濾器，其中超導(dǎo)磁體占總投資成本約40-50%。高溫超導(dǎo)磁體可大幅提升磁場強度，是裝置運行的核心部件，第一壁的作用是控制進入等離子體的雜質(zhì)、傳遞輻射到材料表面的熱量等，偏濾器的作用是控制等離子體與真空室壁面的相互作用，減少壁面的熱負荷和粒子轟擊。?

產(chǎn)業(yè)鏈下游為應(yīng)用環(huán)節(jié)，核聚變技術(shù)主要用于發(fā)電、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域。圖22：核聚變電站上中下游設(shè)備拆分數(shù)據(jù)：《國際熱核試驗堆第一壁材料的研究進展》丁孝禹，上海超導(dǎo)官網(wǎng)，微觀同位素，頻譜科學(xué)，核能研究展望，Deeptech,華龍證券研究所03核聚變上中下游重點環(huán)節(jié)及公司圖23：核聚變重點環(huán)節(jié)及公司數(shù)據(jù)：Wind，華龍證券研究所03第一壁：鎢基合金可能是未來理想材料?

第一壁是聚變裝置的關(guān)鍵部件，主要功能是有效控制進入等離子體的雜質(zhì)，有效傳遞輻射到材料表面的熱量，保護非正常停堆時其它部件因受等離子體轟擊而損壞。我國為ITER研制的第一壁為三層結(jié)構(gòu)，分別是最內(nèi)側(cè)的面向等離子體材料（鈹）、中間的熱沉材料（銅鉻鋯合金，利用銅良好的導(dǎo)熱性把內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)出來，再通過冷卻劑（如氦氣）輸送到反應(yīng)堆外用于發(fā)電）和背后的結(jié)構(gòu)支撐材料（不銹鋼）。但是，鈹和銅之間的相互擴散會形成一些脆性的金屬間化合物（如CuBe），導(dǎo)致材料力學(xué)性能的劣化。?

鎢基合金可能是未來聚變堆理想的第一壁材料。鎢及鎢基材料具有高熔點、高熱導(dǎo)率、低濺射產(chǎn)額和高自濺射閾值、低蒸氣壓和低氚滯留性能，成為最具應(yīng)用前途的一類第一壁材料。據(jù)此，ITER已確定了一條從鈹/碳/鎢到鈹/鎢，最后變成全鎢的路線。EAST(中國核聚變實驗裝置東方超環(huán))也確定了約3年逐步從現(xiàn)在的全碳到碳/鎢的過渡，最后全部變成全鎢的發(fā)展方向。?

我國鎢資源儲產(chǎn)量為世界第一，據(jù)USGS，2023年我國鎢資源儲量為230萬噸、占比約52.3%，產(chǎn)量6.3萬噸、占比約80.8%。圖24：ITER第一壁的三層結(jié)構(gòu)表7：鎢基合金可能是未來聚變堆理想的第一壁材料內(nèi)層，鈹/鎢中層，銅合金外層，不銹鋼數(shù)據(jù)

：核能研究展望，華龍證券研究所數(shù)據(jù)

：《國際熱核試驗堆第一壁材料的研究進展》丁孝禹等，華龍證券研究所03高溫超導(dǎo)帶材和高溫超導(dǎo)磁體：聚變裝置核心?

高溫超導(dǎo)帶材：規(guī)模化應(yīng)用時代正在開啟。超導(dǎo)材料具有常規(guī)材料所不具備的零電阻、完全抗磁性和宏觀量子效應(yīng)，能夠為核聚變反應(yīng)提供更強磁場。一個聚變托卡馬克的超導(dǎo)材料用量超過1萬公里，2020年全球超導(dǎo)帶材的產(chǎn)能只有3000公里，隨著以可控核聚變?yōu)榇淼南掠芜M展加速，將帶動高溫超導(dǎo)帶材需求快速提升、產(chǎn)能快速增長和價格快速下降。?

高溫超導(dǎo)磁體：聚變裝置核心，投資成本占比約四成。高溫超導(dǎo)磁體較之目前使用的低溫超導(dǎo)磁體大幅提升了磁場強度，2021年9月，美國麻省理工CFS團隊成功研制了全球首個可用于核聚變的20特斯拉高溫超導(dǎo)磁體，標(biāo)志著高溫超導(dǎo)核聚變裝置進入功能樣機研制階段。根據(jù)ITER初始支出投資計劃，超導(dǎo)磁體預(yù)計占到總成本37%。而CFS公司的商業(yè)化可控核聚變SPARC項目中，百億研發(fā)預(yù)算中高溫超導(dǎo)磁體的支出預(yù)計占比50%。圖26：ITER初始直接支出投資成本表8：2023年低溫超導(dǎo)/高溫超導(dǎo)帶材價格圖25：第二代高溫超導(dǎo)帶材示意圖及應(yīng)用領(lǐng)域Nb3Sn超導(dǎo)材料臨界電流

2000

A/mm2

4.2K，12TNb3Sn銅超比帶材臨界電流密度

800

A/mm2數(shù)值

單位條件工藝青銅法1帶材過流能力單位價格YBCO171175A4.2K，12T元/（KA*m）數(shù)值

單位條件工藝超導(dǎo)材料臨界電流

50000

A/mm2

4.2K，12T帶材寬度超導(dǎo)薄膜厚度帶材臨界電流帶材過流能力單位價格122mm微米1282

A/mm21200167A4.2K，12T元/（KA*m）數(shù)據(jù)

：上海超導(dǎo)，華龍證券研究所數(shù)據(jù)

：東部超導(dǎo)，華龍數(shù)：《Approximationoftheeconomyoffusionenergy》，華龍證券研究所03偏濾器：銅合金是首選材料?

偏濾器通常位于真空室的上下方，主要用于控制等離子體與真空室壁面的相互作用，減少壁面的熱負荷和粒子轟擊。偏濾器是磁約束核聚變裝置最為關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，直接承受強粒子流和高熱流的沖擊，服役環(huán)境十分苛刻，而滿足偏濾器運行環(huán)境的熱沉材料是聚變堆正常運行的關(guān)鍵，銅合金以高熱導(dǎo)率、較高的強度、較好的熱穩(wěn)定性和抗中子輻照性能被認為是聚變堆偏濾器用熱沉材料的首要候選材料。?

我國偏濾器研發(fā)步伐不斷加快。為配套EAST項目，2012年，中科院等離子體所啟動偏濾器升級改造計劃。2018年，法國原子能和替代能源委員會開展的全鎢偏濾器托卡馬克核聚變實驗裝置（WEST）對我國自主研制的偏濾器W/Cu部件達成采購意向。除中科院等離子體所外，國光電氣承制了中國環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）所需的偏濾器模塊，并且生產(chǎn)的偏濾器還應(yīng)用于ITER計劃中。圖27：偏濾器示意圖表9：偏濾器作用偏濾器主要作用12排出來自聚變等離子體的能流和粒子流有效地屏蔽來自器壁的雜質(zhì)，減少對芯部等離子體的污染排出核聚變反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的氦灰等產(chǎn)物，并提取有用的熱量用于發(fā)電3數(shù)據(jù)：Wind，華龍證券研究所數(shù)據(jù)：《核聚變堆偏濾器熱沉材料研究現(xiàn)狀及展望》彭吳擎亮等，華龍證券研究所目

錄1可控核聚變：“聚變”與“可控”的原理當(dāng)前進展與商業(yè)化可能可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈2345相關(guān)公司及投資建議風(fēng)險提示04相關(guān)公司及投資建議表10：核聚變相關(guān)公司公司名稱特點聯(lián)創(chuàng)光電精達股份永鼎股份國光電氣安泰科技西部超導(dǎo)第一壁、偏濾器及泵閥

鋼研院優(yōu)質(zhì)資產(chǎn)，全鎢產(chǎn)品優(yōu)勢顯著，核工業(yè)

偏濾器復(fù)合部件在世界設(shè)備打開第二增長曲線高溫超導(dǎo)磁體在多領(lǐng)域進

優(yōu)質(zhì)的高溫超導(dǎo)帶材供

第二代高溫超導(dǎo)帶材產(chǎn)業(yè)化加速落地國內(nèi)唯一低溫超導(dǎo)線材商業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)入1到N加速發(fā)展階段應(yīng)商前列控股子公司北京安泰中科金屬材料有限公司可控核聚變業(yè)務(wù)開展主體參股上海超導(dǎo)，持股18.29%參股聯(lián)創(chuàng)超導(dǎo)，持股40%參股上海超導(dǎo)，持股64%-?-?可控核聚變相中核聚變（成都）設(shè)計研

英國TE公司/美國CFS公關(guān)合作方

究院有限公司

司核工業(yè)西南物理研究院，ITER項目國家重點研發(fā)計劃ITER項目和EAST項目

ITER項目公司與中國工程物理研究院、核工業(yè)西南物理研究院均簽訂了《戰(zhàn)略公司控股子公司安泰中科聚焦深耕可控核聚變領(lǐng)域,研發(fā)生產(chǎn)的偏濾器全鎢復(fù)合部件、鎢銅復(fù)合部件等產(chǎn)品成功應(yīng)用于我國“人造太陽”EAST科學(xué)工程裝置和國際熱核聚變實驗堆ITER項目,其中鎢偏濾器被認為是在核聚變領(lǐng)域最難生產(chǎn)和制造的部件之一,為中國可控核聚變實現(xiàn)全球領(lǐng)跑做出了重要貢獻。1）江西聯(lián)創(chuàng)光電超導(dǎo)應(yīng)用有限公司和中核聚變（成都）設(shè)計研究院有限公司簽訂協(xié)議，雙方計劃各自發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，采用全新技術(shù)路線，聯(lián)合建設(shè)聚變-裂變混合實驗堆項目，技術(shù)目標(biāo)Q值大于30，實現(xiàn)連續(xù)發(fā)電功率100MW，該項目擬落戶江西省，工程總投資預(yù)計超過200億元。公司于2022年成功獲得合作協(xié)議》，其中核工國家重點研發(fā)計劃“國家業(yè)西南物理研究院是我磁約束核聚變能發(fā)展研究國參與ITER計劃的主專項”中“聚變CICC高

要承擔(dān)單位。公司依托溫超導(dǎo)磁體關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展產(chǎn)學(xué)研合作，生產(chǎn)的偏及磁體研制”項目的子課濾器和包層系統(tǒng)是題“高性能REBCO長帶

ITER項目的關(guān)鍵部件，材工程化制備技術(shù)”的研完成制造調(diào)試的真空高發(fā)任務(wù)，作為合作單位主溫氦檢漏設(shè)備是全球首要承擔(dān)千米級REBCO長

臺滿足ITER要求的包1）上海超導(dǎo)與英國TE公司進行深度合作，于2017-2020年間分批陸續(xù)供應(yīng)寬幅高性能高溫超導(dǎo)帶材，用于強場磁體研制及超導(dǎo)可