核聚变：技术升级和产业投资共振，人类终极能源渐行渐近

1中邮证券2023年11月29日核聚变技术升级和产业投资共振，人类终极能源渐行渐近证券研究报告鲍学博 / 马强中邮证券研究所 军工团队行业投资评级：强于大市 •核聚变发电具有更低的燃料成本、燃料资源充足、不会对环境造成危害以及更高的安全性等优势，被誉为“人类终极能源”。国际核能大国分别给出了聚变能发展规划，在关键节点DEMO的设计、建造、运行上，美国、欧盟、俄罗斯、日本和印度等分别给出了2035年左右的时间规划。•聚变-裂变混合实验堆即将建设，加速核聚变商业应用。混合堆相当于热核聚变中子源与次临界裂变堆结合，相比于纯聚变堆，混合堆大幅降低堆芯等离子体性能及第一壁材料要求;相比裂变堆，混合堆铀资源利用率高，且燃料增殖能力强于快堆、乏燃料嬗变优势显著、建造成本低于快堆，是实现闭式燃料循环、解决千年能源需求最具前景的方案。国内聚变-裂变混合实验堆Q值大于30，实现连续发电功率100MW，总投资超200亿元，即将进入建设阶段。•高温超导技术突破，新型核聚变装置已开始普遍使用。国外，美国CFS核聚变装置采用高温超导磁体实现装置紧凑型和小型化；英国TokamakEnergy宣布已建造出世界首套新一代高温超导磁体；国内，即将建设的聚变-裂变混合堆、正在建设阶段的能量奇点“洪荒70”以及星环聚能正在完成设计的“CTRFR-1”都将采用高温超导磁体。•民营资本涌入推进产业发展。根据FIA数据，2022年全球私营核聚变公司获得超过48亿美元的投资，比2021年增长139%，私人投资对核聚变的投资额首次超过政府资助。2023年，全球私营聚变公司获得的投资额从48亿美元增加至62亿美元。新增资金包括美国TAE技术公司2.5亿美元、中国新奥科技发展公司2亿美元、日本京都聚变技术公司7900万美元、中国能源奇点公司5500万美元等。2023年4月，日本推出《核聚变能创新战略》，旨在通过建立庞大的国内核聚变产业，在未来商业化利用核聚变能中占据主导地位，并提出在2050年实现核聚变发电目标。•建议关注同时受益于国内外核聚变发展加速以及新建聚变装置中高温超导磁体推广应用的联创光电、永鼎股份等，建议关注核聚变相关设备、材料制造商国光电气、西部超导、安泰科技等。•风险提示：核聚变技术进展不及预期；国内外核聚变产业政策支持不及预期；世界电力需求不及预期或其他替代技术快速进步等。投资要点请参阅附注免责声明 3目录发展现状：ITER项目稳步推进，各国装置取得快速进步二超导磁体是托卡马克装置的关键，应用从低温超导发展至高温超导四聚变-裂变混合堆：千年能源方案，实验堆即将建设三相关标的及风险提示六核聚变：解决人类能源问题的终极方案一民营资本涌入推进产业发展，日本已将核聚变上升至国家产业政策五 44一核聚变：解决人类能源问题的终极方案1.1核聚变：人类终极能源，以托卡马克装置最成熟1.2产生有效聚变功率输出有较高反应条件要求，目前面临三大技术挑战1.3国际聚变能发展规划 5一、核聚变：解决人类能源问题的终极方案资料来源：中核五公司微信公众号，中邮证券研究所请参阅附注免责声明◼1.1 核聚变：人类终极能源，以托卡马克装置最成熟•核聚变，又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。核聚变由质量小的原子（主要是指氘或氚），在一定条件下（如超高温和高压）发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦核），并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。因此，核聚变被视为几乎无限的能量来源，洁净、安全而自持，为解决人类未来的能源展示了最好的前景。•核聚变能是人类未来更理想的新能源。核聚变产生的能量是核裂变的3-4倍，其副产品是惰性、无毒的氦气，不会影响环境安全。在燃料上，核聚变燃料之一的氘广泛地分布在海水中，1升海水中含的氘全部聚变反应所产生的能量与300升汽油完全燃烧所释放的能量相当，海水中氘的储量可供人类使用几十亿年。此外，核聚变反应需要在高温等离子体和外部磁场限制的环境下才可以进行，同时它可以在几秒钟内得到控制或停止，本质上是安全的。图表1：氘氚聚变反应 6一、核聚变：解决人类能源问题的终极方案资料来源：悦智网，中邮证券研究所请参阅附注免责声明◼1.1 核聚变：人类终极能源，以托卡马克装置最成熟•MCF：托卡马克装置，用强磁场约束并加热等离子体，自20世纪60年代，目前已经建造了200多台功能性的托卡马克装置；ICF：高能脉冲激光或离子束将小燃料颗粒压缩到极高密度，产生的冲击波加热还未消散的等离子体；MTF：磁场约束低密度等离子体，用激光对其加热并压缩；图表2：磁约束聚变(MCF)图表3：惯性约束聚变(ICF)图表4：磁化靶聚变(MTF) 7一、核聚变：解决人类能源问题的终极方案资料来源：悦智网，中邮证券研究所请参阅附注免责声明◼1.1 核聚变：人类终极能源，以托卡马克装置最成熟•FRC：在圆柱形等离子体内产生环形电流，用等离子体自身的磁场约束等离子体；Stellarator：螺旋带状结构产生高密度等离子体，较托卡马克装置等离子体更为稳定、对称，但几何形状使装置制造非常复杂，对环境条件非常敏感。图表5：场反向配置(FRC)图表6：仿星器( Stellarator ) 8一、核聚变：解决人类能源问题的终极方案资料来源：《可控核聚变——未来世界的炽热之心-王怀君等》，《The global fusion industry in 2023-FIA》，中邮证券研究所请参阅附注免责声明◼1.1 核聚变：人类终极能源，以托卡马克装置最成熟•磁约束核聚变（托卡马克，俄语中“轴向磁场环形室”的缩写）成为可控核聚变的主要途径。根据IAEA数据，截至2022年年底，全世界约有130个国有或私营实验性聚变装置，其中90个正在运行，12个在建，28个计划中。其中约76个托卡马克、13个仿星器、9个激光点火设施以及32个所谓新概念装置。•采用氘氚燃料是核聚变发电的主流。根据FIA，43个核聚变装置中，有28个采用DT燃料。图表7：托卡马克结构图表8：聚变燃料类型 9一、核聚变：解决人类能源问题的终极方案资料来源：《超导磁体技术与磁约束核聚变-王腾》，中邮证券研究所请参阅附注免责声明◼1.2 产生有效聚变功率输出有较高反应条件要求，目前面临三大技术挑战•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（5×1021m−3·s·keV），才能产生有效的聚变功率输出。图表9：核聚变反应三要素•三大技术挑战：➢燃烧等离子体物理问题；➢抗中子辐照的材料问题；➢燃料氚的自持问题。 10一、核聚变：解决人类能源问题的终极方案资料来源：激光评论《氘氚燃料可控核聚变的氚增殖-邹晓旭》，中邮证券研究所请参阅附注免责声明◼1.2 产生有效聚变功率输出有较高反应条件要求，目前面临三大技术挑战•氚的半衰期只有12.43年，因此在地球上并不存在天然氚。这使得保障氚的供应成为实现受控氘氚聚变反应所必须解决的重要挑战之一。1GW聚变电站每年需要消耗56kg氚，目前，氚只能从重水堆中获取，乐观估计重水堆每年产氚量大约3kg，难以维系聚变堆的运行需求。因此，聚变堆在投入首炉氚后，氚必须实现自持。图表10：氚循环原理•氚可以由中子与锂原子的相互作用产生。天然锂由两种稳定的同位素组成，Li-6和Li-7，后者更为丰富。图表11：聚变堆基本结构剖面 11一、核聚变：解决人类能源问题的终极方案资料来源：《我国磁约束核聚变能研发战略与国际合作情况-钱小勇》中邮证券研究所请参阅附注免责声明◼1.3 国际聚变能发展规划•国际核能大国分别给出了聚变能发展规划，在关键节点DEMO的设计、建造、运行上，美国、欧盟、俄罗斯、日本和印度等分别给出了2035年左右的时间规划。图表12：国际聚变能发展路线图 12一、核聚变：解决人类能源问题的终极方案资料来源：《CFETR物理与工程研究进展-高翔等》，中邮证券研究所请参阅附注免责声明◼1.3 国际聚变能发展规划•我国核能发展“热堆—快堆—聚变堆”三步走战略体系，聚变堆是核能发展的终极目标。•根据中国磁约束聚变能发展路线图的规划，中国磁约束聚变能的开发将分为3个阶段：➢在2021年推动中国聚变工程试验堆（CFETR）立项并开始装置建设；➢到2035年建成中国聚变工程试验堆，调试运行并开展物理实验；➢到2050年开始建设商业聚变示范电站。图表13：中国磁约束聚变能发展路线图 1313二发展现状：ITER项目稳步推进，各国装置取得快速进步2.1ITER：35个国家合作，将建成世界最大托卡马克装置2.2美国：NSTX-U在升级中，NIF实现能量净增益2.3欧洲：JET氘氚聚变实验产生能量输出59MJ等离子体2.4日本：JT-60SA成功点火2.5中国：西南物理研究院和等离子体物理研究所牵头，民企积极参与 14二、国际重要核聚变装置：ITER项目稳步推进，各国装置取得快速进步资料来源：JT-60SA《JT-60SA Research Plan》，中邮证券研究所请参阅附注免责声明◼2 国际重要核聚变装置：ITER项目稳步推进，各国装置取得快速进步•托卡马克装置是核聚变主要装置类型，目前，世界上主要的托卡马克装置包括35个国家合作建造的ITER，日本和欧盟合作建造的JT-60SA，我国的EAST，美国的TFTR，欧洲的JET，韩国的KSTAR， 法国WEST等。图14：各聚变装置的参数图15：各托卡马克装置等离子体截面图15：各托卡马克装置等离子体截面 15二、国际重要核聚变装置：ITER项目稳步推进，各国装置取得快速进步资料来源：悦智网，中邮证券研究所请参阅附注免责声明◼2.1 ITER：35个国家合作，将建成世界最大托卡马克装置•国际热核聚变实验反应堆（ITER）诞生于2006年，将建成全世界最大的托卡马克装置，整体重23000吨，环形空腔内的等离子体温度将达1.5亿°C，外部的超导磁体则需要在接近-270°C（液氦温度）的极低温度运行。ITER项目的核电站将产生大约500MW热能，如果持续运行并接入电网，将转化为约200MW的电能。图16：ITER 组件建造分工•ITER项目35个合作国家中，欧盟（加上英国和瑞士）贡献45%，中国、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国各贡献9%。ITER成员国的贡献约90%以实物形式提供，完成后的托卡马克将由100多万个部件组成。•欧盟估计，到2035年，仅欧盟在该项目中付出的成本就将达到181亿欧元（约合196亿美元）。据此推算，如果整个项目都在欧盟内进行，那么在此期间ITER的总成本将为410亿欧元。 16二、国际重要核聚变装置：ITER项目稳步推进，各国装置取得快速进步资料来源：《磁约束核聚变能研究进展、挑战与展望-刘永》，悦智网，中邮证券研究所请参阅附注免责声明◼2.1 ITER：35个国家合作，将建成世界最大托卡马克装置•2006年，中国正式加入ITER项目，主要参与建造磁体馈线（feeders）和极向场线圈（PF coils）等18个部件研制制造任务。01.极向场线圈导体02.磁体馈线系统03.环向场线圈导体04.校正场线圈与磁体馈线导体05.校正场线圈06.磁体支撑系统07.包层第一壁08.包层屏蔽模块09.气体注入系统10.辉光放电清洗系统11.交直流电源系统12.脉冲高压变电站13.无功补偿及滤波系统14-18.诊断系统图17：ITER的中国采购包 17二、国际重要核聚变装置：ITER项目稳步推进，各国装置取得快速进步资料来源：《ITER项目依然在稳步推进-苦山》，中邮证券研究所请参阅附注免责声明◼2.1 ITER：35个国家合作，将建成世界最大托卡马克装置•2020年7月28日，ITER在法国南部正式开始组装。ITER计划用4.5年完成安装，到2025年进行第一次等离子体放电，最终验证核聚变商业化应用的可行性。•ITER项目面临工期推迟和成本超出。在2022年发现组件缺陷前，ITER项目已面临推迟和成本增加。2020年，项目负责人首次警告，2025年的启动日期