电力设备与新能源行业深度报告：核电行业专题报告（二）：可控核聚变曙光将近，产业链加速发展

核电行业专题报告（二）：可控核聚变曙光将近，产业链加速发展 —电力设备与新能源行业深度报告 2024年3月14日 武浩电力设备与新能源行业首席分析师 王煊林电力设备与新能源研究助理 等离子体撕裂 执业编号：S1500520090001联系电话：010-83326711 邮箱：wuhao@cindasc.com 联系电话：17768100716 邮箱：wangxuanlin@cindasc.com 证券研究报告行业研究行业深度报告电力设备与新能源投资评级看好上次评级看好 武浩电新行业首席分析师执业编号：S1500520090001联系电话：010-83326711邮箱：wuhao@cindasc.com王煊林电新行业研究助理联系电话：17768100716邮箱：wangxuanlin@cindasc.com 信达证券股份有限公司CINDASECURITIESCO.,LTD北京市西城区闹市口大街9号院1号楼邮编：100031 核电行业专题报告（二）：可控核聚变曙光将近，产业链加速发展 2024年3月14日 报告内容摘要: ⯁可控核聚变是人类终极清洁能源，发展前景广阔。核聚变是几个较轻的原子核结合成一个较重的原子核,实现将质量转化为能量的过程，一般是氘、氚反应。核聚变的原料氘在海水中储量极其丰富，资源约束问题将大大缓解；聚 变安全可靠，其发生条件的严苛使得其不易发生安全事故；聚变也不存在污染，氘氚聚变产物氦不存在放射性。我们认为，可控和自持将是可控聚变技术的研发方向，可控的难点在于等离子体的长时间约束和净能量增益；自持的难点在于氚材料的增殖。 ⯁核聚变技术路线主要为托卡马克，其他多种技术也处于持续探索过程中。核聚变的技术路线主要包括磁约束和惯性约束两种类型，惯性约束是利用外壳的惯性限制聚变规模，通过内爆对热核燃料进行压缩，使其达到高温高密 度条件，美国NIF是代表性装置；磁约束是利用磁场限制超高温等离子体，以托卡马克为主，也有仿星器、磁镜、球形环、紧凑环、环箍缩、场反转等装置。除典型的纯聚变装置外，聚变裂变混合堆也具备发展可能性。此外，近期AI技术有所突破，有望助力托卡马克装置中的等离子体维持，可控核聚变技术在持续向前发展。 ⯁国际可控核聚变加速推进，中国可控聚变发展进入新时期。ITER是全球最大的聚变装置，截至2021年6月，ITER项目预估成本为220亿美元，其中磁体系统成本占比最高，将达到28%。该项目的目标是解决可控核聚变投资产业化运行前的各种工程化问题，该项目是全球分工制造模式，我国承担9.1%的设备制造，预计研制费和加工费达到40亿元。美国的NIF装置近年实现了能量净增益；欧洲建造了欧洲联合环面(JET)，2023年其氚氚聚变实验产生了等离子体；日本JT-60SA装置已于2023年10月23日首次成功产生等离子体；中国具有明确的可控核聚变发展目标和时间规划，我国参与了ITER项目，运行EAST项目、环流器一二号，并研发CFETR，筹建BEST项目等，此外民间投资能量奇点、星环聚能等多家公司也入局可控核聚变。 ⯁产业链投资额近年明显提高，产业链进入快速发展时期。2021年后可控核聚变行业投资额快速提高，私人投资已占主体。根据FIA和UKAEA，2021-2023年聚变企业分别共获得18.7亿美元、48亿美元、62亿美元总投资额。聚变产业链设备主要聚焦于托卡马克，上游零部件包括磁体、包层模块和偏滤器等。 ⯁投资建议：可控核聚变近年技术持续突破，产业链进入快速发展时期，未来的发展前景广阔。托卡马克零部件的制造壁垒较高，在当前阶段具备托卡马克零部件制造能力和已收获订单的公司有望在未来具备较强的竞争优势。建 议关注联创光电、安泰科技、永鼎股份、合锻智能。 风险因素：产业投资放缓风险、可控核聚变技术发展不及预期风险、交付节奏不及预期风险。 目录 行业核心聚焦5 一、核聚变是人类终极清洁能源，未来发展前景广阔6 1.1核聚变原理6 1.2核聚变具备资源丰富和安全可靠的优势6 1.3核聚变发电将要求可控和自持7 二、核聚变技术以托卡马克为主，其他多种技术持续探索8 三、国际可控核聚变加速推进，中国可控核聚变发展进入新时期11 3.1多国合作推进ITER项目，将建成世界最大托卡马克装置11 3.1.1ITER是一个国际合作的托卡马克实验项目11 3.1.2ITER设立两阶段目标，探索可控聚变发电可能性11 3.1.3ITER建设为全球分工，中国承制多类零部件12 3.1.4ITER成本中磁体最高，目前已进入实质建设阶段13 3.2美国：NIF实现能量净增益14 3.3欧洲：JET氚氚聚变实验产生等离子体，升级辅助ITER15 3.4日本：JT-60SA成功产生等离子体16 3.5中国：可控核聚变发展目标明确，政府投资和民间投资共同繁荣16 四、产业链投资额明显增长，业内公司将进入大发展时期22 4.1产业链投资额近年明显提高，业内公司态度乐观22 4.2磁体、包层模块和偏滤器托卡马克的重要组成部件23 4.3相关公司26 4.3.1联创光电：磁体为托卡马克关键设备，高温超导多应用场景处于突破前夕.26 4.3.2安泰科技：ITER偏滤器全钨复合部件、钨铜复合部件供应商26 4.3.3永鼎股份：光通信主业平稳经营，高温超导带材供应商27 43.4合锻智能：高端成形机床与智能分选设备双主业发展，研制可控聚变真空室28 四、风险因素28 图表目录 图表1：核聚变电厂示意图6 图表2：实现核聚变反应的三要素7 图表3：氚循环原理示意图8 图表4：聚变堆基本机构剖面图8 图表5：惯性约束装置示意图8 图表6：托卡马克装置示意图9 图表7：仿星器示意图10 图表8：场反转结构示意图10 图表9：ITER装置图11 图表10：ITER现场准备工作11 图表11：ITER主要典型参数11 图表12：ITER组件建造分工12 图表13：ITER装置及我国承制的部件示意图13 图表14：ITER成本拆分14 图表15：核聚变发电厂DEMO成本拆分14 图表16：美国国家点火设施(NIF)14 图表17：1991年JET首次DT实验15 图表18：JET与ITER的类似配置15 图表19：ITER建成前全球最大托卡马克研究装置JT-60SA16 图表20：JT-60SA和ITER参数对比16 图表21：JET、JT-60SA、ITER环形场(TF)线圈的比较16 图表22：我国可控核聚变目标规划17 图表23：HT-7超导托卡马克装置主机18 图表24：EAST主要子系统18 图表25：EAST是目前世界上最先进的核聚变实验装置之一18 图表26：中国环流器一号装置（HL-1）19 图表27：中国环流器二号A装置（HL-2A）19 图表28：中国环流器二号M装置（HL-2M）19 图表29：紧凑型聚变能实验装置（BEST）项目建设现场20 图表30：HH70主机20 图表31：星环聚能球形托卡马克装置21 图表32：EXL-50装置示意图22 图表33：全球聚变公司历年成立情况22 图表34：聚变公司向电网供电时间预测23 图表35：第一座聚变电厂向电网供电时间预测23 图表36：托卡马克装置示意图23 图表37：上海超导第二代高温超导带材示意图24 图表38：偏滤器结构示意图25 图表39：第一壁示意图25 图表40：联创超导的高温超导产品26 图表41：联创光电近年营收和归母净利润26 图表42：2023H1安泰科技营收结构27 图表43：安泰科技近年营收和归母净利润27 图表44：永鼎股份二代超导带材27 图表45：永鼎股份近年营收和归母净利润27 图表46：合锻智能BEST真空室项目28 图表47：合锻智能近年营收和归母净利润28 行业核心聚焦 我们认为：1）可控核聚变投资产业化加速明显，并非被一贯认知的还需要很长时间，近年的技术进展和产业投资都预示其将在不远的未来成为可能，其未来光明的前景将使得相关公司有明显成长空间；2）可控聚变的技术突破依赖于更高体量的研发资金投入，在当前阶段庞大的科研资金投资已经足够支撑相关公司获得可观订单，在可控核聚变投资产业化之前产业链将预先获得利润。 一、核聚变是人类终极清洁能源，未来发展前景广阔 1.1核聚变原理 核聚变是几个较轻的原子核结合成一个较重的原子核,实现将质量转化为能量的过程。最常见的核聚变反应是氘、氚反应生成氦和中子，同时释放出能量的过程，用反应式表示如下： 聚变电厂仍将以传统的蒸汽涡轮方式进行发电。氘氚聚变中，大部分能量是以中子这种高速粒子的动能形式存在，因此等离子体室外将由铅或钢等重材料组成厚层，吸收中子后转化为热量，最后传递给锅炉机组，以蒸汽涡轮机方式发电。 图表1：核聚变电厂示意图 资料来源：中国物理学会期刊网，信达证券研发中心 1.2核聚变具备资源丰富和安全可靠的优势 原料储量极其丰富：主要燃料氘跟氧结合成重水存在于海水之中。根据中国科学院等离子体物理研究所文章，每公斤海水含氘0.03克，地球上有海水1021千克，含氘3×1016千克，目前全世界能源消耗水平每年2×1020焦耳，每年只需燃烧106千克氘即可。因此地球上的氘足够使用3×1010年之久。即使考虑到能源消耗水平的逐年增加，也足以使用1010年，即几百亿年。 能量密度高：根据中国科学院等离子体物理研究所文章，“燃烧”一千克氘相当于四千克铀，七千吨汽油或一万吨煤。也就是说“燃烧”一千克海水和燃烧210千克（300升）汽油所获得能量相当。与铀核的裂变反应比较，同样质量的核燃料，聚变反应会比裂变反应放出更多的能量。据中国工程物理研究院经福谦等《揭开核武器神秘面纱》一文，同样重量的氘，在全部实现反应时释放出来的能量约比铀大三倍。如果是氘和氚聚变，一公斤氘氚完全燃烧放出的能量，相当于八万吨TNT爆炸的能量，比一公斤铀-235完全裂变放出的能量约大四倍。 安全可靠：核聚变反应是自限反应，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，任何导致温度密度的下降都会致使聚变反应停止。同时，由于核聚变反应燃烧的氘氚等离子体被磁场约束在真空容器内，其密度比空气低数个量级，聚变堆氘氚燃料含量也 较低，在技术操作合规的情况下，不会引起爆炸，也不会发生泄漏事故。 核辐射小、环境友好：氘、氚等聚变反应中产生的氦，是没有放射性的。如果我们不在聚变堆中加入铀、钍等裂变材料，那么聚变的产物中，只有氚有β辐射，其他都是中子、质子和α粒子（α辐射）。α粒子穿透力很弱，只需要一张纸就可以起到很好的屏蔽效果。β粒子穿透力也不强，只需要一张铝箔就可以屏蔽。此外，核聚变反应不排放碳，不会造成任何污染，对环境友好。 1.3核聚变发电将要求可控和自持 核能发电的两个基本要求是可控和自持。 可控：可控对于核能意味着核反应可以缓慢地按需发生，而不是像原子弹（核裂变）、氢弹 （核聚变）一样，瞬间释放巨大的能量。对于核聚变来说，理论上“可控”也是一个可以解决的问题，只需要控制聚变燃料的浓度即可，但目前核聚变发电，还远没有到达解决“可控”的阶段。 “可控”的核心难点在于难以将等离子体长时间约束在某一个空间内，让它们抵抗排斥力、相互碰撞，并实现净能量输出（Q>1）。早在1957年，英国物理学家劳森就提出了聚变三重积的概念：聚变三重积=等离子体温度×等离子体密度×约束时间。然而，核聚变要实现自持燃烧和稳态运行的条件极为苛刻，一是温度要足够高，使燃料变成超过1亿摄氏度的等离子体；二是密度要足够高，这样两原子核发生碰撞的概率就大；三是等离子体在有限的空间里被约束足够长时间。 图表2：实现核聚变反应的三要素 资料来源：《超导磁体技术与磁约束核聚变》�腾，信达证券研发中心 自持：自持核聚变反应指的是，当原料中的原子在高温高压能量输入下达到核聚变反应一段时间后，不需要再添加额外的能量就可以让核聚变自动持续下去，源源不断来产生能量。由于核聚变不具备链式反应的“自循环”性质，目前纯聚变堆的研究尚无法实