可控核聚变：聚变创造梦想，核力展望未来

行业报告：行业专题研究 证券研究报告 2024年02月20日 机械设备 可控核聚变：聚变创造梦想，核力展望未来 作者： 分析师朱晔SAC执业证书编号：S1110522080001 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 摘要 人造太阳，未来可期： 核聚变是一种小质量原子的原子核互相聚合生成中子并伴着巨大能量释放的热核反应，可产生大量能量，可控核聚变相当于可控的人造太阳。作为核能的开发方式之一，其相比核裂变在安全、绿色、能量密度等方面更具优势，被认为是未来能源的唯一方向。 进行核聚变需要满足十分苛刻的外部条件，并对高温聚变物质进行约束，目前解决可控核聚变主要有三种：磁约束、惯性约束和引力约束， 其中以磁约束为原理的托卡马克被普遍认为是最有希望实现可控核聚变的装置。 聚势而强，核项目遍地开花： 核聚变产业强势发展，各国积极发展核项目；蓬勃而生的核聚变产业带动高温超导材料的需求，超导材料的发展也有望大幅降低聚变装置成本与规模，加速核聚变商业化进程。 全球主要国家积极采取行动推动技术突破，ITER是各国合作在建的规模最大的可控磁约束核聚变装置，为下一步可控核聚变的成功商业化奠定基础。我国已确定以磁约束聚变作为核聚变技术发展的主要路线，明确未来发展目标与方向，我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置EAST，获得403秒稳态高约束等离子体，创造该参数下运行时间新的纪录。 风口已至，展望未来： 核聚变产业公司数量快速增加，融资总额持续增长，全球聚变公司2023年累计融资超过62亿美元，国内市场的星环聚能、能量奇点在近两年 来均已获得两轮融资，且融资金额颇高。 政策对核电发展的支持力度加强，核电站核准提速，2019年起我国核电核准速度呈上升趋势，核电机组核准审批步入常态化。同时全球电力需求巨大，带动可控核聚变潜在市场。据预测，全球核聚变市场规模将从2022年的2964亿美元增长至2027年的3951.4亿美元，CAGR为6.0%。 但现阶段技术发展仍处于培育期，真正实现“可控”和“商业化”还需时间沉淀，要攻克技术、材料、工程等多重难题。 风险提示：核聚变研究成本较高，核聚变项目推进不及预期，核聚变商业化进程不及预期等。 1 人造太阳，未来可期 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明3 可控核聚变，本质是模拟太阳内部发生的氢核聚变反应。太阳之所以有源源不断的能量，就在于其内部一直在进行大量 的核聚变。核聚变又称核融合，是一种小质量原子的原子核互相聚合生成中子并伴着巨大能量释放的热核反应，可以产 生大量的能量。可控核聚变意味着人们可以控制核聚变的开启和停止，核聚变的反应速度和规模可以随时被调控，相当于可控的人造太阳。 核裂变反应堆发电是全球化趋势，但不是长久之计。传统的核反应堆采用核裂变释放出的热能代替煤炭燃烧生热，进而通过锅炉加热水，带动涡轮发电机进行发电。核裂变的原理是用低浓度铀235作为原料，用中子撞击一个铀235原子进而释放两个中子形成链式反应，持续放出能量。虽然核裂变发电相比传统煤炭发电燃料效率更高、更清洁，但核废料问 题尚未解决，且铀储量有限，不满足人类可持续发展要求。 图：核裂变过程示意图图：核聚变过程示意图 资料来源：《世界能源演进路径与中国能源结构的转型》方行明等，《“人造太阳”离圆梦又近一步——揭秘中国可控核聚变》韩维正等，天风证券研究所 5 能源是现代社会存在和发展的物质基础，现存多种能源均存在局限性。人类广泛开发利用的能源，包括煤、石油、天然气等化石能源，不仅不可再生，在使用过程中还产生大量污染。太阳能、地热、风能、潮汐能等形式的清洁能源，只能在局部地区开发利用。页岩气、可燃冰等新能源也有消耗殆尽的一天。 可控核聚变被视为未来能源的唯一方向。可控核聚变作为核能的开发方式之一，相比核裂变在安全、绿色、能量密度等方面更有优势，被认为有望提供近乎无限的清洁能源。一旦实现核聚变商业规模发电，将一举解决困扰全人类的能源紧缺问题，为应对气候变化、保护环境和解决贫困与发展问题注入不竭动力，从而改变人类的未来。 图：能源分类 表：可控核聚变的优势 安全可靠 核聚变反应需要氘氚燃料达到上亿摄氏度的高温和足够高的密度等苛刻条件，任何一点细微条件的缺失，都会导致温度密度的下降，致使聚变反应停止。 经济性明显 满足全球每年一次能源消耗需要98万t天然铀、1451个三峡电站、200亿tce,聚变仅需消耗一个标准泳池的重水，重水价格每克不足千 元，聚变电站每年的重水消耗量仅为克级水平，远少于裂变电站。 环境友好在氘氚核聚变过程中主要产生惰性氦，不产生高放射性、长寿命的核废物，也不会产生任何有毒气体或者温室气体。 能量密度高1t氘氚聚变反应释放的能量，相当于5.7t裂变燃料或700万t原油燃烧释放的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为全部可进行核裂变元素 原料充足 1公升海水里提取出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量；而氚可通过中子与锂反应生成，在地壳和海水中，锂都是大量存在的。 释出能量的1000万倍。 相比核裂变的链式反应，核聚变需要满足的外部条件十分苛刻。一是足够高的温度，需要施加大约1亿℃高温才能将两 个原子核变成等离子体，该温度相当于太阳核心温度的10倍，这对反应容器的耐受温度提出极限挑战；二是一定的密度， 这样两原子核发生碰撞的概率就大；三是一定的能量约束时间，等离子体在有限的空间里被约束足够长时间，以获得净功率增益，即产生的聚变功率与用于加热等离子体的功率之比率。核聚变至少需要做到稳定运行240h才具备商业价值，而2023年4月创造的最高纪录是EAST达到的403秒稳态高约束等离子体。 三者的乘积称为聚变三乘积。根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值，才能产生有效的聚变功率输出。 图：实现聚变反应的三要素 要获得持续的核聚变能，除了满足严苛的外部条件，还要对高温聚变物质进行约束，延长可控聚变反应时间。解决可控核聚变主要有三种：磁约束、惯性约束和引力约束。其中引力约束在地球上无法实现，惯性约束由于电-激光转化损耗极高暂不具备开发前景，磁约束能量转化效率更高，是更具发展潜力、更成熟的路线。 引力约束主要是靠强大的万有引力来提供对聚变燃料的约束力。比如太阳的核心温度达1500万°C，巨大的质量 （质量为地球33万倍）形成巨大的万有引力使外层的氢不断往中心挤压，形成极高的密度，在高温和高压的作用下， 氢核裸露，再加上太阳有足够长的能量约束时间，使得核聚变反应得以持续发生。 表：聚变约束的三种途径原理介绍图：聚变约束的三种途径 约束途径 原理介绍 主要应用 引力约束 通过物质自身质量产生巨大的引力来实现对等离子体的约束，类似于太阳的核聚变过程。 太阳 磁约束利用磁场约束带电粒子沿磁力线运动，使等 离子体在高温和高压下发生核聚变反应。 箍缩、磁镜、托卡马 克和仿星器等 惯性约束 通过超高功率激光或粒子束将微型燃料球加热并压缩至极高密度，引发核聚变反应。 氢弹爆炸 惯性约束是利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。通过多束激光或粒子束从四面八方向一个非常微小的聚变燃料丸（通常是氘和氚的混合物）倾注巨大的能量 使其达到极高的温度和压力，巨大的压力使聚变燃料的密度在短时间达到极限值，使其被喷出的同时利用反冲的力量使燃料丸内部氕氘燃料压缩，由于这些粒子的惯性作用，它们会持续被挤压一段时间，并为核聚变提供发生的条件。 •该方法实际上是控制多次不可控的小核聚变来控制核聚变总体强度。其技术难点在于点火瞬间需要快速获得高温，且燃料丸需要具备一定的密度，并维持足够长的反应时间。 •惯性约束核聚变以美国的国家点火计划(NLF)、我国的神光计划为代表。 图：惯性约束核聚变经典过程（以直接驱动方式为例） 图：NIF惯性约束聚变 •NIF的四次点火实现核聚变的重大突破。美国国家点火装置（NIF）是美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）下属的一个大型实验设施，是世界上最大的激光聚变装置，通过聚焦激光束到微型燃料球上，能够产生 高温高压的环境，实现核聚变反应。点火，就是指聚变反应堆释放的能量超过了输入的能量，这是可控核聚变技术的一个重要指标。 •NIF的主要组成部分是192个激光束线，每条激光束线都可产生高达500兆焦耳（MJ）的脉冲能量。当这些激光束线同时聚焦在一个小球上时，可以形成数十亿度的高温和高压条件。 •NIF的激光器虽然强大，但是效率很低。每次点火都需要消耗大量的电力，而且只能持续几十亿分之一秒。要实现可持续的核聚变反应，还需要更高的能量增益，更稳定的反应过程，更经济的运行成本。 表：美国NIF4次点火情况 图：NIF国家点火装置 图：美国NIF4次点火 次数 时间 实验情况 第一次 2022年12月14日 向目标输入了2.05MJ的能量，得到了3.15MJ的能量输出，实现人类历史上第一次核聚变点火，首次实现了可控核聚变净能量增益，Q值达到1.53， 第二次 2023年7月30日 向目标输入2.05MJ能量，产生比太阳核心高六倍的温 度，得到了3.88MJ的能量输出，比输入能量增加了 89%，创下历史最高 第三次 2023年10月8日 增加了能量输入到1.9MJ，得到了2.4MJ的能量输出 第四次 2023年10月30日 能量输入首次达到到2.2MJ，得到了3.4MJ的能量输出 磁约束是指用磁场约束等离子体的运动，从而实现核聚变的方式。以提高温度为突破口，聚变燃料在极高温下会完全电离为由原子核和自由电子组成的等离子体，让这团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不再自由只能沿着磁场方向做回旋运动，从而受到约束，将高温的燃料与反应容器隔绝开。 •磁约束核聚变常用的实现方式是托卡马克和仿星器。托卡马克在保持等离子体温度方面更出色，而仿星器在保持等离子体稳定方面更出色。环形托卡马克被普遍认为是最有希望实现可控核聚变的装置，也是目前主流的研究方向。中国的东方超环（EAST）和国际热核聚变实验堆（ITER）均利用其来尝试实现核聚变反应过程。 •“托卡马克”的名字由俄文中环形、真空室、磁、线圈四个词的前几个字母组成，通过在环形真空室中构造出一个闭合 的螺旋磁场，完成对高温等离子体的约束，聚变燃料在周而复始的运动中完成核聚变反应。 图：磁约束等离子体图：托卡马克约束磁场与基本结构示意图 图：托卡马克工作原理 托克马克装置是一个环形的真空室和多组磁体组成。真空室周围分布 着若干个环向场（纵场）线圈、中心螺管（欧姆加热）线圈、极向场 线圈等几类磁体，等离子体运行中磁体通入电流产生磁场，以激发和控制等离子体。 托卡马克工作时：由变压器引起的电场驱动电流（红色大箭头）通过等离子体柱，产生一个极向磁场，将等离子体电流弯曲成一个圆形 （绿色垂直圆圈）。将等离子体柱弯曲成一个圆圈可以防止泄漏，并且在一个环形容器内这样做会形成一个真空。另一个围绕圆圈长度的磁场被称为环形磁场（绿色水平圆圈）。这两个场结合形成一个类似螺旋结构（黑色所示）的三维曲线，等离子体在其中受到高度约束。 零时刻之前 向环形真空室中充入聚变气体，中心螺管磁体电流加到峰值。 零时刻 中心螺管磁体电流迅速下降，在环形真空室中产生感应电流，加速自由电子，发生碰撞电离，形成等离子体。 零时刻之后 再次充入聚变气体，提高真空室内反应物密度及压强，同时通过射频波和中性束注入等辅助加热手段进一步提高等离子体温度。 图：托卡马克典型等离子体放电过程 虽然根据磁场位形的不同，人类还曾经建造了磁镜、仿星器、球形环、紧凑环、直线箍缩、环箍缩等多种类型磁约束核聚变装置，例如仿星器，它在不需要变压器的情况下扭转磁铁，也可以形成