可控核聚变技术路线多元化发展,公共资金和私营资本踊跃入局
可控核聚变技术路线多样,商业化落地渐行渐近。核聚变反应释放大量能量,实现核聚变需要满足足够高的温度、一定的密度和一定的等离子体约束时间三个条件。磁约束聚变装置中氘氚反应要求粒子动能/等离子体温度达到10keV/108K数量级;更高的等离子体密度以增加发生碰撞的可能性;更长的约束时间将具有膨胀倾向的等离子体保持在限定的体积内,为反应发生创造条件。劳逊判据是判断受控核聚变能否实现能量净输出的阈值条件,等离子体温度、密度、约束时间三者的乘积称为聚变三乘积,磁约束聚变装置中,氘-氚聚变要实现功率输出需将三乘积提高到1021keV·s·m⁻³数量级。聚变不排放温室气体,能够提供基荷电力,没有融毁和核扩散的风险,也无需处理大量长寿命放射性废物,是较为理想的能源。
全球核聚变竞赛已拉开帷幕,私营资本和科技巨头踊跃入局。根据聚变行业协会(FIA)《2024年全球聚变行业报告》,聚变行业2021-2024年已累计吸引了超过71亿美元的投资,2024年新增9亿美元投资,其中政府资助增加至4.26亿美元、增幅57%;全球范围内的私营聚变公司也随之增加到45家。全球范围来看,在运/在建的核聚变项目主要由公共资金主导,采取磁约束技术路线;规划中的核聚变项目主要由私营资本主导,技术路线趋于多元化。各国聚变公司权益融资活动频繁,美国科技巨头谷歌、亚马逊、微软等踊跃入局核聚变公司投资。
托卡马克装置有望受益于高温超导带材量产率先突破,2030s实现并网发电。托卡马克装置利用强大的磁场来约束高温等离子体,使其在有限的空间内达到足够的高温和压力,以达到聚变反应条件。托卡马克装置功率与环形磁场强度Bt的四次方和等离子体截面半径a的四次方正相关,与装置主半径R的一次方反相关。高温超导材料REBCO在40T磁场强度下仍保持较强的载流能力,近年来,随着高温超导材料实现工业化量产,采用高温超导方案的装置理论上限大幅提升,新一代聚变公司涌现,CFS、Tokamak Energy、星环聚能、能量奇点等均采取高温超导方案。ITER国际热核实验堆是全球最大的托卡马克实验,由35国合作在法国兴建,预计2035年前后ITER将开展氘-氚燃料实验,验证聚变点火与持续燃烧。美国SPARC/ARC原型堆采用REBCO高温超导磁体产生20T以上强磁场,体积远小于ITER,计划2030年代初并网发电约400MW。英国STEP计划目标2040年前后建成一座球形托卡马克示范电厂,实现净电输出并验证商用可行性。中国CFEDR计划建设ITER与商业堆之间的桥梁,紧凑型聚变实验装置(BEST)计划在2027年底投运,中国聚变工程试验堆(CFEDR)有望在2030s建成。
国内Z箍缩混合堆有望加速落地,FRC装置获私营资本青睐。2008年,彭先觉院士提出Z箍缩驱动聚变-裂变混合堆(Z-FFR);2025年3月,先觉聚能成立,国内Z箍缩混合堆建设有望提速。2008-2020年,Helion团队累计获奖金/融资约0.74亿美元,完成场反位形(FRC)装置原型机的六次迭代,并成功实现1亿度等离子体温度。FRC装置有望成为聚变领域的黑马,私营资本加速布局。2021-2025H1,Helion累计完成9.6亿美元融资,国内瀚海聚能、星能玄光、诺瓦聚变相继成立;2025年8月,诺瓦聚变完成5亿元天使轮融资。
可控核聚变行业进入快速孵化阶段,有望逐渐迈向商业化阶段。技术进步和资金投入共同推动行业进入快速孵化阶段,建议关注聚变项目资本开支加速带来的上游装备、材料等环节投资机会。受益标的:(1)磁体环节:西部超导(低温超导线材)、永鼎股份(高温超导带材)、上海超导(高温超导带材)、联创光电(高温超导磁体服务)等;(2)真空室和堆内构件:合锻智能(真空室、第一壁、包层和偏滤器)、国光电气(第一壁、包层和偏滤器)、安泰科技(第一壁、包层和偏滤器)等;(3)电源总成:英杰电气(磁体电源和PSM电源)、爱科赛博(磁体电源和PSM电源)、四创电子(PSM电源)、新风光(磁体电源)、赛晶科技H(脉冲电源)等;(4)微波和电源器件:旭光电子(真空脉冲功率器件等)、国力股份(氢闸流管、回旋管、速调管)、宏微科技(IGBT)、王子新材(电容)等;(5)燃料增殖和循环:国光电气(氚工厂)等;(6)检测设备:皖仪科技(氦检漏、真空检漏)等。
风险提示:商业化进度不及预期、资金投入不及预期、技术路线变化风险。