电力设备行业深度报告：可控核聚变：从科幻到商业

证券研究报告 凝聚智慧·创造财富 可控核聚变：从科幻到商业 ——电力设备行业深度报告 分析师：杨阳 SAC执业证书编号：S0230523110001 联系人：许紫荆 SAC执业证书编号：S0230124020004 2024年04月30日 摘要 可控核聚变的优势和原理：核聚变能即小质量元素的原子核（通常是氘和氚）聚合成为重核所释放的能量。与核裂变相比，可控核聚变释放能量大，原料来源丰富，安全可靠、不产生放射性废物，2023年国务院国资委启动实施未来产业启航行动，明确可控核聚变领域为未来能源的唯一方向。“聚变”的实现需要同时满足三个条件：足够高的温度、一定的密度和一定的能量约束时间 ，聚变的“可控”理论上通过可磁约束、激光约束和箍缩实现，目前世界上主流路线为磁约束装置托卡马克。 当前进展与商业化可能：1968年后苏联科学家发明的托卡马克装置成为主流路线，并经历了托卡马克→超导托卡马克→全超导托卡马克的技术迭代升级。2006年，中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国等正式签署ITER协定并于2007年成立ITER国际组织实施计划，项目总计划投资高达200亿欧元。2023年，美国NIF装置创造能量净输出记录，日本JT-60SA也成功实现点火，我国EAST装置也不断刷新等离子体运行记录。据美国聚变能协会FIA统计，截至2023年初全世界核聚变公司吸引了超过60亿美元的投资，全球43家聚变能公司中有26家认为聚变供电将在2035年之前实现，19家认为届时聚变发电将具备商业可行性。我国目前有2个前期建设阶段项目，总投资计划接近300亿元，将为相关产业链提供重大机遇。 可控核聚变产业链：可控核聚变产业链上游为原材料，包括第一壁材料钨、高温超导带材原料REBCO和氘氚燃料；中游为相关设备，核心设备包括超导磁体、第一壁和偏滤器，其中超导磁体占总投资成本约40-50%。高温超导磁体可大幅提升磁场强度，是装置运行的核心部件，第一壁的作用是控制进入等离子体的杂质、传递辐射到材料表面的热量等，偏滤器的作用是控制等离子体与真空室壁面的相互作用，减少壁面的热负荷和粒子轰击；产业链下游为应用环节，核聚变技术主要用于发电、医疗、科研等领域 。 投资建议：近年来，全球领域可控核聚变技术突破和商业投资加速，将为相关产业链带来重大机遇。首次覆盖，给予行业“推荐”评级。个股方面，建议关注超导磁体环节联创光电，高温超导带材制造商精达股份、永鼎股份，低温超导带材西部超导，偏滤器制造商国光电气、安泰科技等。 风险提示：行业政策不及预期，重要技术进展不及预期，相关投资不及预期，建设进展不及预期，运行实验结果不及预期，设备交付不及预期，商业化进展不及预期，重点关注公司业绩不及预期等。 目录 1可控核聚变：“聚变”与“可控”的原理 2当前进展与商业化可能 3可控核聚变产业链 4相关公司及投资建议 5风险提示 01 核能分为裂变能和聚变能 •核能是一种清洁高效的能源，核变化释放的能量可以分为两种类型： 1）核裂变（nuclearfission），即重元素的原子核分裂为质量较轻元素的原子核时所释放的能量。铀是核裂变的关键原料，铀原子在中子的轰击下会裂变为钡和氪，裂变时会产生大量能量，同时还会产生3个新的中子，激发其他铀原子裂变。目前核能发电用的主要是裂变技术，核裂变技术还用于原子弹中。 2）核聚变（nuclearfusion），即小质量元素的原子核聚合成为重核所释放的能量。氘和氚聚合在一起会产生氦和1个中子，同时可以释放出能量。 图1：核裂变示意图 数据来源：洞察化学，华龙证券研究所 图2：核聚变示意图 数据来源：洞察化学，华龙证券研究所 01 可控核聚变能量密度高、原料丰富、安全无污染 •与核裂变相比，可控核聚变释放能量大，原料来源丰富，安全可靠、环境友好、产生的放射性废物少。能量密度来看，每单位质量的聚变燃料释放出的能量是裂变的4倍；原材料来看，聚变燃料通常使用氘和氚，地球上氘储量丰富，氚可以通过中子和锂制备，而核裂变采用的铀元素我国储量有限仍需进口，2023年进口量1.7万吨，进口金额达到19亿美元；安全性来看，聚变实现难度高，且不产生放射性废料，而核裂变是链式反应，难以控制，并产生大量放射性物质，切尔诺贝利（1986年）和福岛（2011年）福岛 核事故曾造成巨大危害。 •2023年国务院国资委启动实施未来产业启航行动，明确可控核聚变领域为未来能源的唯一方向。 图3：核聚变的优势 能量密度高 •每单位质量的聚变燃料释放出的能量是裂变的四倍，“燃烧”一千克氘相当于四千克铀，相当于七千吨汽油或一万吨煤。 原材料充足 •地球上氘的含量丰富，每升海水中含有0.03克氘，地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。 •氚可通过中子和锂作用产生，而海水中含有大量锂。 •按目前世界能源消费的水平，核聚变燃料可供人类使用上亿年。 安全可控 •核聚变堆的聚变反应条件要求极端，需高达上亿摄氏度的超高温的条件下进行，且需要燃料的持续输入，某环节出现问题，反应就会自动终止，不会出现“失控”链式反应。 环保无污染 •可控核聚变过程中只会产生少量的氦气，不产生高放射性、长寿命的核废物，也不会产生二氧化碳或其他有害气体 图4：我国铀资源进口量 数据来源：创新中心CXZX，华龙证券研究所 数据来源：Wind，华龙证券研究所 01 由于反应原理不同，核聚变进度不及核裂变 核裂变从实验室走向裂变电站仅用了约10年。1939年，科学家首次揭示了铀原子核的分裂现象；1945年，利用核裂变原理制造出的第一颗原子弹在美国阿拉莫戈多沙漠爆炸；3年后，第一座核裂变电站便在美国田纳西州橡树岭实现发电。1951年，利用核聚变原理制造的氢弹在太平洋上的恩尼威托克岛实现爆炸，然而至今70年人类依然未能实现可控核聚变发电。 核聚变无法复制核裂变发电的模式。从核裂变的反应方程式可以看出，核裂变的触发需要中子（n）。当铀核由1个中子引发裂变时，会同时放出2-3个中子，这些中子可以再引起其他铀核裂变，裂变反应可不断持续下去，这一过程也被称为链式反应。通过加入控制棒吸收核裂变产生的中子，可以控制核裂变的反应速率，从而实现核裂变发电。而核聚变的反应过程则不需要中子，因此无法复制核裂变控制反应速率的方式。 数据来源：《核裂变——无尽的探索》裴俊琛等，华龙证券研究所 图5：核裂变发展路线示意图 图6：核聚变无法复制裂变发电的模式 数据来源：深度产业研究院，华龙证券研究所 01 如何实现“聚变”:温度、密度、时间 实现核聚变反应，需要同时满足三个条件：足够高的温度、一定的密度和一定的能量约束时间，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。 1）足够高的温度：要在地球实现高效核聚变反应，温度大约需要维持在1亿℃以上可获得较高反应几率，这个温度是太阳核心温度的近10倍；2）一定的密度：等离子体约束区单位体积内氘氚原子核的数量越多，能够有效提高原子核间的碰撞效率，以获得足够的核聚变反应率；3）能量约束时间：高温等离子体的能量以辐射和热传导的形式逸出，能量损失的时间被定义为能量约束时间，高能量约束时间意味着装置具有良好的隔热性能，能量流失得缓慢，以进一步提高核聚变反应率。 数据来源：《超导磁体技术与磁约束核聚变》王腾，华龙证券研究所 图7：实现聚变反应的三要素 01 如何实现“可控”：我国以磁约束路线为主 解决核聚变温度、密度、约束时间三个方面的“可控”主要有三种路径：磁约束、激光约束和箍缩。 1）激光约束：采用多台超大功率激光器，对准封装核燃料的氢气小球，同时发射激光，加热和压缩氢燃料，激光在进入环空器后，会击中内壁并使其发出X射线，然后这些X射线可以将其加热到1亿摄氏度，高能激光会使小球表面等离子体化，其余中心材料受到牛顿第三定律驱使，最终会向中央坍缩发生内爆。在内爆时，只要对燃料球给予正确的高温高压就能发生反应，放出大量能量。 2）箍缩：跟激光聚变类似，把激光换成电流。 3）磁约束：利用磁场约束带电粒子沿磁力线运动，发生核聚变反应需要把核聚变燃料氘氚加热到上亿度，形成等离子体，使得质子不被电子包裹，做高速热运动，两个质子发生碰撞，产生热量；由于等离子体温度极高，通过磁场约束质子运动，从而避免等离子体接触到容器。磁约束核聚变被看做较为可行的路径，我国采用的是磁约束路线。 表1：三个“可控”的实现方式 图8：世界上最大的激光聚变装置NIF（美国） 磁约束 激光聚变 箍缩 典型装置 托卡马克和仿星器 激光聚变装置(NIF，神光) Z-pinch,θ-pinch 控制密度使用磁场防止等离子体 控制温度外界能量注入外力压缩时直接加热 外泄 控制约束时间调整等离子体的运行模 式，延长约束时间 外力压缩(激光)外力压缩(电流) 能量耗散难以控制，因此希望聚变功率足够高，使聚变功率大于能量耗散 数据来源：《超导磁体技术与磁约束核聚变》王腾等，华龙证券研究所数据来源：中国物理学会期刊网，华龙证券研究所 01 如何实现“可控”：托卡马克装置是主流 磁约束核聚变实现装置主要是托卡马克和仿星器。 托卡马克在1958年由苏联科学家发明，主要由环形真空室、产生磁场的线圈和其他辅助设施组成。中央是一个环形真空室，里面注满气体，外面缠绕着线圈。线圈通电后，会在托卡马克内部产生巨大的螺旋型磁场，里面的气体将被电离成等离子体并形成等离子体电流。当等离子体被加热到极高温度后，便可实现核聚变。 相比仿星器，托卡马克的优点在于：1）结构简单、造价低，只需要真空室和线圈，线圈的结构是规则的，比仿星器扭曲的线圈造价低太多。生产周期更短，规则的线圈可以很快造出来，装置迭代也更快。2）加热成本低，可以直接依靠线圈进行加热，而仿星器不能依靠线圈直接加热，只能依靠比较昂贵的微波和中性束的手段去加热。 托卡马克是目前全球各国投入最大、最接近核聚变条件、技术发展最成熟的途径。 图9：“托卡马克”释义 数据来源：华龙证券研究所 图10：托卡马克装置 数据来源：万象经验，华龙证券研究所 图11：仿星器装置 目录 1可控核聚变：“聚变”与“可控”的原理 2当前进展与商业化可能 3可控核聚变产业链 4相关公司及投资建议 5风险提示 02 1968年后托卡马克装置成为主流，发展迅速 托卡马克装置成为主流后，相关研究发展迅速。氢弹研究出来之后，前苏联和美、英等各国就投入到可控核聚变的开发当中。世界上首台托卡马克T-1装置由阿奇莫维奇等人设计、建造，1958年建成并开始运行。两次升级改造之后，1968年8月，在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，科学家阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上产生了1000万度等离子体。这远远超过其他各种装置上的参数，此后托卡马克的研究进入了高速发展的时代。 各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置，比较著名的有美国的TFTR，欧盟的JET，日本的JT60和苏联的T-15。随着托卡马克的装置越建越大，产生的等离子体温度也越来越高。20世纪80年代比较著名的托卡马克有：美国的TFTR，欧盟的JET，日本的JT60和苏联的T-15，以上四个装置被称为“四大托卡马克”。其中除了T-15由于苏联解体的特殊原因没有成功运行之外，其他装置陆续取 得了许多重要成果。 时间 装置 事件 1968 T-3（苏联） 观察到显著更好的约束效果，托卡马克装置成为主流 1970 T-4（苏联） 实验中观察到中子，标志着首次在磁约束环境下实现聚变 1973 T-3（苏联） 通过微波辅助加热，电子温度首次上升至一亿度 1978 PLT（美国） 通过中性束辅助加热，离子温度首次上升至一亿度 表2：托卡马克路线上的高速发展 数据来源：中科院之声，华龙证券研究所 图12：TFTR、JET和JT-60的运行成果 数据来源：中