可控核聚变开启终极能源大门
行业变化： 23年12月29日，以“核力启航聚变未来”为主题可控核聚变未来产业推进会在蓉召开。由25家央企、科研院所、高校等组成的可控核聚变创新联合体正式宣布成立。会上，第一批未来能源关键技术攻关任务正式发布。 核聚变难点在哪？ 核聚变发生反应条件非常严苛，如何维持等离子体稳定和提高聚变反应效率是其主要技术挑战；核聚变反应时易发生“湍流”，缩短反应堆运行寿命； 不同于氘，氚在地球上含量少，自持问题还需进一步突破；对核聚变反应器材料和用于产生氚的包层材料物理化学性能要求高。 ITER项目核电站潜力大 国际热核聚变实验反应堆（ITER）计划预计2025年完成建设并进行第一次等离子放电试验。ITER项目的核电站将产生约500MW热能，如果持续运行并接入电网，将转化为约200MW电能，够20万户家庭使用。 中国环流三号取得突破性进展 23年8月，中国环流三号首次实现100万安培等离子体电流下高约束模式运行，突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、先进偏滤器位形控制等关键技术难题，是我国核聚变能开发进程中的重要里程碑。23年12月，人造太阳“中国环流三号”面向全球开放。 托卡马克是核聚变技术路线首选 由于仿星器需要三维结构线圈，结构更复杂，制造难度更大，成本更高，托卡马克成为聚变堆技术路线首选。超导体具有零电阻效应，且可承载电流密度更高，20世纪后期开始被用于托卡马克装置。2006年，等离子体物理研究所自主研制并建成世界上第一个全超导托卡马克实验装置EAST。 超导磁体+偏滤器是托卡马克关键组成部分 超导磁体几乎占托卡马克成本的一半。目前，高温超导线材良率已提升至90%，开始工业化应用。高温超导技术发展可缩短可控核聚变装置建设周期，使聚变发电初步具备商业化潜力。偏滤器是中心等离子体与聚变材料相互作用的主要区域，性能优劣直接影响核聚变装置的运行安全性与使用寿命。 投资建议 我们推荐核电龙头中国核电 （601985.SH）， 龙头运营商中国广核（003816.SZ），核级阀门主要供应商江苏神通（002438.SZ），核电设备龙头东方电气 （600875.SH）。 建议关注主氦风机主要供应商佳电股份（000922.SZ），核级阀门领军企业中核科技（000777.SZ），超导材料供应商西部超导（688122.SH）、联创光电（600363.SH）以及偏滤器供应商国光电气（688776.SH）。 风险提示：项目建设不及预期，核电安全事故风险 重点推荐标的简称中国核电中国广核江苏神通东方电气 1.什么是核聚变？ 1.1核聚变被视为未来终极能源 核能发电的基础是核反应。核能发电的基本原理是利用核反应将核能转化为热能，再通过热机将热能转化为机械能，最后利用发电机将机械能转化为电能。核反应是指核燃料在反应堆中发生核裂变或核聚变，释放出大量能量的过程。 核聚变是两个轻原子核结合形成一个较重原子核，同时释放大量能量的过程。 核聚变反应发生在等离子体的物质状态中，核聚变有氘－氚聚变、氘－氦聚变、氢－硼聚变及氘－氘聚变。现有理论和实验研究均表明，氘氚聚变是最容易获得聚变能的方式，也是实现可控核聚变的最为可行的发展路线。氘－氚聚变反应（D-T反应）是指在极高的温度与压强下，氘和氚发生原子核相互聚合反应，生成较重的原子核氦，并释放出一个中子导致质量亏损。 图表1：核聚变工作原理 现有能源均存在局限性。在现有的能源形式当中，化石能源储量是有限的，且燃烧会大量排放温室气体；可再生能源如太阳能、风能、水能等能源密度较低，受地理因素限制较大，只能作为辅助能源；基于核裂变的核能虽然能满足人类能源需求，但产生的核废料处理和放射性污染问题难以处理且主要核燃料铀的储量也是有限的。 可控核聚变被视为未来终极能源。从一种原子核变为另外一种原子核往往伴随着大量能量的释放。可控核聚变由于原料资源丰富、释放能量大、安全清洁、环保等优势，能基本满足人类对于未来理想终极能源的各种要求。核聚变的能量来源目前主要有三种：宇宙能源，即太阳发光发热；氢弹爆炸（不受控核聚变）；人造太阳（受控核聚变能源装置）。 原料充足：常见核聚变由氢的同位素“氘”和“氚”聚合成氦原子核而释放出能量。主要燃料氘跟氧结合成重水存在于海水之中，地球上氘含量丰富，其中每公斤海水含氘0.03克，地球海水共含氘45万亿吨。同时海水中富含大量锂，氚可通过海水中含有的锂与中子反应产生。 高效产出：核聚变产生的能量非常大，每单位质量的核聚变燃料释放的能量是核裂变的四倍。消耗一千克氘产生的能量与四千克铀、七千吨汽油或一万吨煤所获得的能量相当，且核聚变的效率逐步提高，聚变反应可以成为未来聚变动力堆的基础。 安全可控：核聚变反应发生条件严苛，需要满足高温、高密度和长时间保持聚变反应环境。一旦发生事故，造成反应的等离子体约束破裂，聚变反应便会终止，不会发生基于链式反应的裂变型事故或核熔毁。 能源清洁：聚变反应的产物氦气没有放射性，相较于化石燃料燃烧产生的大量二氧化碳及其他有害气体及核裂变反应产生的核废料处理和放射性污染问题，核聚变反应无环境污染问题。 1.2磁约束核聚变是国际主流 核聚变反应有两个重要技术指标，一是聚变三乘积，二是能量增益因子Q。足够高的温度（T）、一定的密度（n）和一定的能量约束时间（τ），三者的乘积称为聚变三乘积，能量增益因子是指聚变反应中输出能量和输入能量之比。实现核聚变反应，根据劳逊判据，需满足聚变三乘积大于5 ×1021 m∙s∙keV，才能产生有效的聚变功率输出。当满足聚变三条件时，同时才能使能量增益因子Q大于1。 𝐸 −3 Q>5时实现聚变点火。考虑到工程上各种能量损失，当Q<5时，聚变反应堆中的自热大概率不会达到反应堆输入功率，当增加至Q>5时，自热的增加令反应堆不再需要外部加热输入能量以维持反应。在此之后，聚变反应开始自我维持，这种情形被称为聚变点火。 图表2：核聚变反应三要素 可控核聚变有三种技术路线，磁约束核聚变是国际主流。引力约束是靠强大的万有引力来提供对聚变燃料的约束力，目前无法在地球上实现；惯性约束是以多束极高精度激光从四面八方向一个非常微小的聚变燃料丸倾注能量，产生瞬间的高温和高压，使聚变燃料的密度在短时间达到极限值，从而引发核聚变反应；磁约束是指用磁场来约束等离子体中带电粒子的运动，通过将聚变燃料完全电离形成的等离子体置身于强磁场的空间，带电的原子核与电子在垂直于磁场方向只能沿着磁场方向做回旋运动。其中托卡马克磁约束聚变是国际主流技术路线，可行性得到了验证。 图表3：核聚变三种技术路线 图表4：托卡马克装置磁约束 2.核聚变的难点在哪？ 2.1提高聚变效率是主要挑战 如何维持等离子体稳定和提高聚变反应效率是主要技术挑战。实现核聚变反应需要将氘氚原子核压缩到很小尺度的核力范围（10米）内，但由于原子核带正电， -15 必须获得足够的能量或在特殊环境下才能克服彼此间的库仑势垒。在等离子体聚变技术中，磁场将等离子体束缚在一定范围内，当等离子体被加热到足够高的温度（1亿度以上）和密度时，才能发生聚变反应。 图表5：托卡马克聚变反应堆的三个外部加热源 对等离子体进行磁约束需控制“湍流”现象发生。达到聚变条件后，还需对高温聚变物进行约束，以获得持续的核聚变能。当氘核与氚核间发生聚变反应时，在此高温条件下，任何固态容器都会在极短时间内气化。大多数聚变反应堆都是基于使用磁场的等离子体约束，但在受磁场约束的高温等离子体中会产生“湍流”，热量和粒子被传输至边缘，最终损坏反应堆并缩短其运行寿命。 图表6：高温等离子体“湍流”现象 2.2相关材料物理化学性能要求高 核聚变反应器材料技术要求高。由于核聚变反应严苛，聚变反应器材料应满足以下几点要求：(1)聚变反应器材料需耐受高温高压；（2）由于聚变反应中释放的大量中子会对反应器造成损害，材料需有优越的耐损性能；（3）反应器材料应具备不易吸收氚的特性，以减少燃料损失，并减少产生放射性废物。目前暂无法完全模拟聚变动力反应堆的条件进行核聚变反应器材料测试。 氚的自持问题仍需突破。氚的半衰期只有12.43年，在地球上氚含量很少。全球氚储量到2027年可能达峰，也仅为27kg，而1GW聚变电厂每年就需消耗约56kg氚，难以维系聚变堆的运行需求。因此聚变堆在投入首炉氚后，氚需实现自持。目前聚变堆选用含Li材料氚增殖剂，通过D-T反应后的中子与Li发生核反应得到氚。但增殖剂材料现仍存在应力集中、易破碎、装载率较低等问题。 图表7：核聚变氚增殖过程示意图 包层材料制作要求高。在托卡马克装置中，包层不仅用于产生氚，而且还将由高能中子携带的核聚变反应能量转换成热量，并进一步提取用于发电。由于包层所在的环境较为恶劣，对相关材料的力学、抗腐蚀等性能要求较高。 3.核聚变进展情况如何？ 当前世界共有50多个国家正在进行140余项核聚变装置的研发和建设，并取得一系列技术突破，IAEA预计到2050年世界第一座核聚变发电厂有望建成并投入运行。其中主要的技术路线是使用磁约束的托卡马克和仿星器，有少数国家进行激光惯性约束的研究。 图表8：全球核聚变装置数量 3.1世界各国积极开展核聚变试验 （1）美国：已实现Q比大于1 NIF：2022年12月13日，美国国家点火设施（NIF）首次实现聚变点火，创造了聚变能试验纪录，有力推动了激光驱动聚变能量的发展前景。2023年，NIF又接连进行了三次点火实验，分别在7月30日、8月8日和10月30日，都成功地实现了核聚变能量超过激光能量，其中最高一次达到了 3.88M J，比输入能量增加了89%，相当于燃烧300公斤的汽油。 图表9：NIF一年内实现四次成功点火 SPARC：麻省理工学院等离子体科学与融合中心（PSFC）主持研究开发了新一代的托卡马克核聚变堆SPARC，于2021年开始建造，为期四年完成。SPARC使用由新型高温钇钡钡铜氧化物（YBCO）制成的强力磁体来产生等离子体，产生的能量是在高温下维持等离子体所需能量的两倍，从而使融合增益Q>2，并能在10秒内实现高达W的聚变功率。相关研究表明，SPARC理论上可实现大于10的Q比。 140M （2）欧洲：拥有世界上最大在运托卡马克装置 JET：于1978年开始建造，位于英国牛津郡库勒姆聚变能源中心的欧洲联合环面（JET）是现有的唯一可以使用氘-氚燃料混合物运行的托卡马克设施，该燃料混合物也将用于未来的聚变发电厂。在JT-60SA开始运行之前，JET一直是世界上最大的在运托卡马克装置，并在1983年实现了第一个等离子体试验。JET数十年的实验优化了氘-氚的聚变反应，并帮助开发了管理燃料滞留、热排放和材料演变的技术。 JET的核心是一个真空容器，目前该容器容纳了 90m3 的聚变等离子体。多年来，该设施创下了多项纪录，包括1997年创纪录的0.64的Q-等离子体（产生的聚变功率与加热等离子体的外部功率之比），以及2021年12月创纪录的5秒脉冲内59MJ的聚变能量输出。高性能氘-氚实验始于1997年，自2011年以来，真空容器的第一个壁由铍和钨制成，取自ITER的建设经验。JET目前正在完成其最后一系列实验，并将于2023年年底停止运营，先于计划的2024年开始退役。 图表10：JET托卡马克设施内部 W7-X：W7-X于2014年4月建成，位于德国格赖夫斯瓦尔德的马克斯·普朗克研究所，是世界上最大的仿星器设备。W7-X的水冷系统可支持该装置在10MW的加热下放电长达30分钟。2023年，W7-X实现了等离子体放电长达8分钟，产生1.3GJ的能量周转，表明它能够连续耦合等离子体中的大量能量。 图表11：德国W7-X仿星器装置照片 MAST-U：MAST-U装置是在兆安培球形托卡马克装置（MAST装置）基础上升级而来，于2020年在英国建成。MAST-U是一种低深弦比托卡马克，能够与各种不同的偏滤器一起使用，并且是第一个使用Super-X偏滤器工作的系统。该系统目的是在足
