大国碳中和之可控核聚变：可控核聚变商业化加速，能源发展有望迎来新突破

可控核聚变兼具三大优势，能源发展有望迎来新突破。能量密度高：据测算，目前主要研究方向的氘氚聚变中，1克氘氚气体聚变产生的能量约等于5克铀235裂变或18吨5500大卡煤炭燃烧所释放的能量。原料来源广泛：氘可以通过提取并电解海水中的重水获得，而氚可以通过热中子轰击锂6原子得到。根据我们的简单测算，氘氚聚变的燃料成本约为0.0050元/kWh。安全性高：原料和产物放射性相对可控，不产生放射性乏燃料；聚变反应可通过停止燃料供应立刻中断，不存在熔毁风险。 积极参与ITER项目，国内两大试验堆取得多项成果。目前世界规模最大的试验堆是多国合作的ITER项目，最新预期2029年完工。我国最主要的两个聚变试验堆分别是 HL-2M 和EAST，已取得1MA等离子体电流、1亿度等离子体温度和1000秒等离子体约束时间等多项成果。此外，CFETR项目正在建设，其中二期项目规划达到1GW功率，能量增益因子达到10，预计2035年建成。 磁约束是主要的研究方向，托卡马克装置成熟度较高。根据聚变堆约束等离子体的方式可将可控核聚变分为磁约束、惯性约束和重力约束，目前以能源为目的的研究主要聚焦于磁约束方向。磁约束的典型装置中，环形托卡马克被认为是最有可能实现可控核聚变的装置。此外，球型托卡马克主要用于基础物理研究，而仿星器仍存在新古典运输等难点。 高温超导突破，有望提升聚变堆参数。高性能磁约束聚变堆需要使用超导磁线圈，世界首座非圆截面全超导托卡马克EAST装置仍使用低温超导体，冷却成本较高。1986年发现镧-钡-铜-氧化合物超导性质后，高温超导材料有较大的发展，临界温度最高已达250K（-23℃）。若未来可以发现临界温度更高的高温甚至室温超导材料并用于聚变堆磁线圈，聚变堆性能有望进一步提高。 AI发展超预期，助力仿真、设计和控制环节。由于聚变过程的复杂性，其模拟仿真、装置设计及控制存在一定的困难。人工智能的不断发展和算力的持续提升有望提高聚变研究和设计的效率。 资本市场对可控核聚变落地乐观，首个聚变商业协议拟2028年发电。民营企业也开始参与可控核聚变的研究。相关统计显示，截至2023年4月，已有44家聚变企业完成创建，其中仅2022年就创建了9家公司。这些公司对聚变预期较为乐观，超半数认为2035年首台核聚变机组有望并网发电。微软公司与聚变公司HelionEnergy签署对赌协议，后者2028年起向微软提供至少50MW电力，并承诺将核聚变发电成本降低至1美分/kWh。 聚变产业链覆盖广，投资机会比较丰富。聚变产业链上游覆盖有色金属（钨、铜等）、特种钢材、特种气体（氘、氚）等原料供应；中游覆盖聚变技术研发、装备制造（第一壁、偏滤器、蒸汽发生器、超导磁线圈等组件）及仿真、控制软件的开发；下游覆盖聚变机组的运营。聚变产业链覆盖范围较广，存在较多优质投资机会。 投资建议：推荐关注聚变产业链上游原材料供应公司和中游装备制造公司；推荐“核电与新能源”双轮驱动中国核电；推荐集团成立能源研究院，建成玄龙-50聚变装置的新奥股份。 风险提示：技术发展不及预期；政策不及预期；电价下调。 可控核聚变优势显著，能源发展有望迎来新突破 核聚变，即轻原子核结合成较重原子核，发生质量亏损并释放巨大能量的过程。 核聚变发电技术作为一种清洁能源，具有能量密度高、功率大、原料来源广泛和安全性较裂变发电更高等优势，因此被广泛认为是能源问题的最终答案，得到世界各国的重点关注和持续研究。 氘-氚聚变实现难度相对最低，能量密度远超现有能源形式 目前，核聚变反应按照是否产生中子可以分成三类： “第一代核聚变”，即氢的聚变，包括氘（D或2H，一种氢同位素）-氚（T或3H，一种氢同位素）聚变和氘-氘聚变。氘-氚聚变可以表示为𝐀+𝐀→𝐀𞰀+𝐀，每次聚变会释放约17.6MeV能量；氘-氘聚变包括𝐀+𝐀→𝐀+𝐀和𝐀+𝐀→𝐀𞰀+𝐀两个反应，分别释放约3.3MeV和4.0MeV能量。第一代核聚变的点火条件最低，相对容易实现，是目前可控核聚变的主要研究方向； 2 1 3 1 4 2 2 1 1 0 2 1 2 1 2 1 1 1 3 1 3 2 1 0 2 1 3 2 “第二代核聚变”，氘和氦3（3He，一种氦同位素）的聚变，可以表示为𝐀+𝐀𞰀→𝐀𞰀+𝐀，同时释放约18.3MeV能量。这个反应本身不产生中子，但可能出现氘-氘反应而产生少量中子。因此第二代核聚变比第一代核聚变更清洁，但发生聚变的条件更高，实现难度更大。 4 2 1 1 “第三代核聚变”，即氦3的聚变。这种聚变完全不会产生中子，是最清洁安全的聚变方式，但实现难度也是最大的，目前尚不具备可行性。 氘-氚聚变实现难度相对最低，是目前可控核聚变的主要研究方向。目前国际聚变界处于氘氚燃烧实验点火试验阶段。 图1：氘-氚聚变聚变示意图 能量密度远超现有能源形式，但能量转化效率或偏低。2克的氘和3克的氚可以产生约1.68万亿焦耳的能量，换算成电力单位即46.7万kWh，约等效于73吨5500大卡煤炭燃烧或20克铀235裂变产生的能量。不过，目前核能利用装置为了兼顾经济性和安全性，反应堆内的压力和温度一般较低，能量转化效率因此偏低。裂变堆核电机组的热效率一般仅有30%左右，低于燃煤机组。 图2：聚变能量密度远超其他能源形式 核聚变领域有两个重要的技术指标，一个是能量增益因子Q，指的是聚变反应中输出能量和输入能量之比，一般认为商业聚变堆至少需要Q值达到10。由于核聚变的点火、维持强磁场和冷却磁线圈等过程都需要大量的能量输入，目前大部分实验的能量增益因子均小于1，磁约束聚变的记录是欧洲联合环（JET）装置的0.67，此外日本的JT-60U的氘氘聚变实现了1.25的等效增益。美国国家点火装置（NIF）分别于2022年12月和2023年8月的两次点火实现了Q>1，即能量净输出，但由于惯性约束聚变与磁约束的能量平衡和系统运行方式不同，其公开的Q值与传统定义有一定区别。 另一个指标是用于判断点火的聚变三乘积，根据劳森判据，当等离子体温度、等离子体密度和约束时间这三个参数达到一定条件时，核聚变反应的能量产出率将大于能量损耗率，并且有足够能量使核聚变反应稳定持续，也就代表核聚变成功点火，一般将这三个参数的乘积作为判定聚变点火的指标。 原料来源相对广泛，安全性优于裂变堆 第一代聚变燃料包括氘和氚两种氢元素同位素，第二代聚变燃料还需要氦3。 氘储量丰富，提取技术成熟。氘在地球上的丰度为0.016%，大多以重水形式存在，海水中氘的浓度大约为30mg/L，地球海洋中的氘含量可能超过40万亿吨。相关报价显示，每千克重水价格在数千到一万元以上。 氚增殖技术有待进一步突破。氚在地球上含量较少，且半衰期仅12.4年，因此聚变所使用的氚都是人工制备的。除裂变堆重水中可能含有少量氚外，主要通过热中子轰击锂6，使其裂变成氚和氦4原子来获取。根据美国地质勘探局的数据，目前全球已探明的锂资源量8900万吨，锂资源储量2200万吨，其中锂6的丰度约为7.5%。但目前氚的增殖技术依然有待突破，现有唯一的商业来源19座加拿大CANDU反应堆，每座反应堆每年可生产0.5kg氚，价格可达3万美元/克。而按30%效率计算，聚变堆每生产1亿kWh电力就需要消耗约2.1kg氚。除此之外，氘氚聚变产生的中子会携带大量能量，需要通过氚增殖吸收这部分能量以维持聚变的能量平衡。因此，如何船的增殖技术仍是聚变商业化需要解决的关键问题之一。 月球土壤氦3含量远超地球，或可超前开展第二代聚变技术研究。据相关探测结果，月球上的氦3储量或超过一百万吨，远超地球储量。2022年9月，我国科学家已首次成功获得嫦娥五号月壤中氦3含量及其最优提取参数。虽然第二代聚变的难度较大，但理论上仍有实现的可能性。在未来，或可通过提取月壤中的氦3为地球提供燃料，甚至直接为月球基地提供能源。 得益于极高的能量密度，氘氚聚变度电燃料成本相对较低。我们对氘氚聚变的燃料成本进行测算，假设重水价格为10000元/kg，电解产生氘气的用电成本忽略不计，则氘的单价约为5万元/kg。氚则完全由锂6转换。上海钢联2023年8月11日数据显示，电池级碳酸锂报价24.55万元/吨，按照锂6丰度为7.5%的相对比例估算锂6元素价格约为1600万元/吨。1个锂6原子可以产生1个氚原子，假设转换率80%，由于氚增殖技术难度较大，假设氚的价格为理论计算的5倍，则氚的价格约为20万元/kg。假设聚变机组的发电效率约为30%。测算得氘氚聚变的燃料成本约为0.0050元/kWh。 表1：氘氚聚变燃料成本随燃料单价的敏感性分析（元/kWh） 氘氚聚变燃料成本随燃料单价的敏感性分析如上表所示，氚的单价在原始值的基础上提高5万元/kg，度电燃料成本较原始估值提升21.43%；氘的单价在原始值的基础上提高1万元/kg，度电燃料成本较原始估值提升2.86%。 聚变安全性高，无熔毁风险。由于聚变对工作环境的要求非常苛刻和敏感，要求上亿度高温和极高的压强；且聚变堆内部只含有少量燃料，依赖燃料的连续输入。 因此聚变是一种“自限过程”，不会发生类似裂变堆的堆芯熔毁的事故，当环境变化、燃料停止供应或无法控制反应时聚变会迅速停止。 产物放射性相对可控，不产生放射性乏燃料。氘-氚聚变的产物包括氦和中子，其中，中子的速度较高，可以轰击装置壁面内衬的锂6（一种锂同位素）产生氚和氦并释放大量能量，生成的氚可以继续维持聚变反应。虽然中子具有放射传染性，氚也有一定的放射性危害，但相对可控，并不会像核裂变一样产生包含高寿命、强衰变放射性的乏燃料，因此一般认为核聚变是一种清洁能源。 约束方式主要分为磁约束和惯性约束，托卡马克装置成熟度最高 由于核聚变要求上亿度的高温，目前没有任何材料可以承载聚变反应，因此只能采用特殊的方法来约束和控制。目前主要有三种约束方式：磁约束、惯性约束和重力约束。 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。在聚变的超高温环境下，所有燃料会电离并形成带电的等离子体，通过使用封闭磁场形成的“磁笼”或“磁陷阱”来约束等离子体，使其与容器的器壁隔开，并通过电磁加热等离子体。当等离子体被加热到一定程度时，电阻会快速下降，此时再通过注入高能中性粒子束等方式进一步加热等离子体至满足点火条件，从而发生聚变。磁约束的装置主要包括箍缩、磁镜、托卡马克和仿星器等，其中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。 环形托卡马克被认为是最有可能实现可控核聚变的装置。环形托卡马克装置（又称环流器），是一个环形真空室，环形中心是一个铁芯变压器，通过变压器初级线圈电流的变化产生磁场，从而在环形真空室内形成等离子体电流并加热等离子体。真空室外有不同方向的线圈，分别产生环向和纵向的磁场，真空室内形成的环形等离子体电流则会提供极向磁场，最终形成环形螺旋状磁场，将等离子体约束在真空室中心。 等离子体电流强度是托卡马克装置重要参数。根据聚变三乘积，托卡马克要实现点火和稳定运行，等离子体电流必须超过一定水平，此外聚变堆的聚变功率还与等离子体电流的平方成正比，因此等离子体电流也是重要的托卡马克装置技术指标。一般认为托卡马克要实现稳定运行，等离子体电流必须超过1兆安培。目前，我国东方超环（EAST）、环流器二号M装置（ HL-2M ）均已成功突破1兆安培目标。 各种聚变路线中，环形托卡马克技术成熟度最高。目前，由多国合力建设的国际热核聚变实验堆（ITER）、我国EAST、 HL-2M 和中国核聚变工程试验堆（CFETR）等装置均采用环形托卡马克路线。其中，EAST已实现1兆安等离子体电流、1亿度等离子体温度和1000秒等离子体约束时间三大目标，并于2023年4月12日实现了403秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行。 等离子体控制仍有待突破，依赖超导技术突破提高磁场性能。托卡马克发展的主要难点在于提高等离子体的参数和等离子体的控制，避免出现等离子体