产业深度II期：铍，可控核聚变的“锂矿”

产业深度 2024.07.21II期 铍，可控核聚变的“锂矿” 摘要: 铍，未来商业聚变堆的价值量之�。随着可控核聚变托卡马克装置从“等离子体控制”进入“氘氚燃料反应”阶段，铍将成为商业聚变堆价值量最大的部分，占比达30%-40%。铍在托卡马克中的应用有两处：�中子倍增剂占比80%，铍的潜在竞争者是铅，但目前看很难替代；②第一壁材料占比20%，但这部分未来可能被钨替代。在中子倍增剂材料中，铍是最优的选择。中子倍增剂是用来增加中子总数，提高与 锂原子核反应的几率，可供选择的材料有铍和铅。相对于铅，铍的中子阈能更低， 即中子在撞击原子时会携带能量，激发铍倍增中子所需的能量低于铅，因此铍的中子倍增效率更高。同时，聚变堆包层模块工作温度高，固态铅熔点低易熔化，使得其难以应用；铍熔点高，不存在类似的风险。此外，铅的密度大，其作为中子倍增 剂时的包层模块更重，对聚变堆结构和材料提出更高要求。在第一壁材料中，目前以铍为主，未来可能被钨材料替代，但第一壁的铍用量仅占商业聚变堆铍总用量的20%，影响有限。 全新生产工具：通用AI将引发的变革与产投机遇思考 2024.06.24 【生物基材料三】代糖是生物合成应用的好赛道 2024.06.11 低空经济系列（二）：产业发展的基础、趋势和催化剂 2024.06.10 低空经济系列（一）：混动电推进技术 2024.05.20 一体化技术：实现智能汽车更高能效与产效的重要选择 2024.05.16 往期回顾 核聚变打开上限，铍的基本盘在于军工、航空航天等领域。铍的密度低（轻）、熔点高（1287℃）、具有较低的热膨胀系数（不易变形），这些优异性能决定了铍在国防军工、航空航天、核工业领域的尖端应用，具有特殊战略意义。在国防军工领域，�铍含量超过62%的铍铝合金，具有质轻、质刚和热性能优良的特点，用于军 机、军用激光反射器等，替代原有的钛合金材料；②金属铍用于飞行器中的结构 件，实现减重和提速的目的，如战略洲际导弹助推器和有效载荷之间的转接壳体、飞船热屏蔽板、战术通信卫星的构架。在航空航天领域，�由于铍的尺寸非常稳定、不易形变，用于惯性导航系统中的陀螺仪，保证铍制导航材料的高精度。②铍 的比热在所有金属中最高，熔点高，可作为轻质、高效的吸热材料，用于火箭发动机喷嘴和控制推进器。目前，国内铍产业每年市场空间50～60亿元（不包含核聚变、四代钍基熔盐堆），国产供给20亿元。 全球铍产业链高度垄断。铍是大国游戏，全世界具备完整铍产业链的只有美国、中国、哈萨克斯坦（前苏联地区），美国是全球铍矿储量和产量的第一大国。国际上，美国Materion公司是全球最大的铍供应商，年生产含铍材料占世界70%，供应整个西方国家；哈萨克斯坦的乌尔巴冶金厂（全球第二大铍生产商）在苏联解体后 接受了Materion公司投资，成为美国的铍及铍合金供应基地；日本NGK不具备铍冶炼技术，从Materion公司进口氧化铍，是全球第二大铍铜合金生产商。国内看，由于铍在国防军工、航空航天、核工业领域的不可替代性，国家为解决战略性“卡脖子”问题，高度重视铍产业，�矿铍业、西材院、上海太洋等一众国内企业已呈星星之火、可以燎原之势，努力实现铍产业的国产替代。 风险提示：全球地缘政治风险，矿产资源风险，关键材料替代风险。 产品研究中心 陈磊(分析师) 021-38038037 chenlei022459@gtjas.com 登记编号S0880522060001 �浩(分析师) 0755-23976068 wanghao013539@gtjas.com 登记编号S0880513090004 鲍雁辛(分析师) 0755-23976830 baoyanxin@gtjas.com 登记编号S0880513070005 目录 1.铍，价值为�3 1.1.中子倍增剂：性能上看，铍是最优的选择4 1.2.包层第一壁材料：未来钨或将全面取代铍5 2.铍：战略基础原材料6 2.1.上游：美国铍矿资源最丰富7 2.2.中游：铍的提炼加工难度大8 2.3.下游：基本盘是军工、航空航天，核聚变是爆发点9 3.大国游戏，西方领先、中国追赶10 3.1.国际：高度垄断，美国Materion领衔11 3.2.国内：星星之火，可以燎原12 4.风险提示13 1.铍，价值为� 随着可控核聚变托卡马克装置从“等离子体控制”进入“氘氚燃料反应”阶段，铍将成为商业聚变堆价值量最大的部分，占比达30%-40%。铍在托卡马克中的应用有两处,均位于包层模块：�中子倍增剂占比80%，铍的潜在竞争者是铅，但目前看很难替代；②第一壁材料占比20%，但这部分未来可能被钨替代。 图1：铍在托卡马克的应用，集中在包层模块的第一壁和中子倍增剂 资料来源：ITER官网、国泰君安证券研究 中国可控核聚变的研究高地有两处，四川成都的核工业西南物理研究院、安徽合肥的中科院等离子体物理研究所，其代表项目分别是中国环流器一号/二号/三号、东方超环EAST，设计目的是实现稳态高约束模式等离子体运行，即通过高强度的磁场，尽可能长时间地将等离子体约束在限定区域内，因此磁体系统极为关键。下一步，以国际上规模最大的ITER项目、中国中科院等离子体所的CFTER项目为代表，托卡马克磁约束核聚变能将从基础性研究进入以验证工程可行性为目标的实验堆研究阶段，真正放入氘氚燃料进行反应，会涉及到之前没 有的氚增殖模块，其中铍材料的价值量在聚变堆的占比将达30%-40%。 氘氚反应是核聚变中反应难度最低的一种，也是目前最为主流的技术路线。核聚变的反应难度通常用三乘积（温度*密度*时间）来表示，三乘积越高反应难度越大，氘氚反应的三乘积最小，反应难度最低。地球上氘的储量很多，可从海水中提取（海水中的氘含量有40万亿吨），但氚的自然储量仅3.5kg，因此需要通过中子轰击锂来人工制造。 图2：核聚变反应难度参考 资料来源：知乎，国泰君安证券研究 1.1.中子倍增剂：性能上看，铍是最优的选择 未来包层模块将升级为增殖包层，相比之前加入了产氚功能。该功能由增殖单元（BreederUnits，BU）实现，通过中子轰击锂元素产生氚，包括氚增殖剂、中子倍增剂、冷却结构三个主要组成部分；此外，增 殖单元产生的氚并不能自动返回聚变堆，需要通过配套系统中的氚工厂来进一步处理。 图3：托卡马克包层模块结构（ITER为例）图4：中国氦冷球床方案（HCCB）增殖包层结构 资料来源：《EngineeringchallengesanddevelopmentoftheITERBlanketSystemandDivertor》,国泰君安证券研究 资料来源：《CFETR氦冷固态包层设计及热工水力学分析》,国泰君安证券研究 中子倍增剂是用来增加中子总数，提高与锂原子核反应的几率。理想情况下，一份氘氚聚变产生一份中子，一份中子与一份锂反应生产一份氚，可实现循环。 D（氘）+T（氚）→n（中子）+4He+17.6MeV 6Li（锂）+n（热中子）→T（氚）+4He+4.8MeV 实际中，考虑到中子的逸散，会添加铍或铅作为中子倍增剂，当一个 中子与铍或铅相互作用，将产生两个新的中子。 9Be（铍）+n（＞2MeV）→24He+2n-1.67MeV 这两个新的中子又可以继续引发更多的中子，直到次级中子能量不足以激发新的中子，形成一种有限链式反应，极大提高了中子与锂原子核的接触机会，提升产氚的效率。 图5：铍相对于铅作为中子倍增剂的优势 资料来源：国泰君安证券研究 从性能上看，铍是中子倍增剂的最优选择。理论上，任何元素都有可能发生中子倍增反应，但发生概率有高有低；在轻核区，铍的发生概率最高，在重核区，铅的发生概率最高。相对于铅，铍的中子阈能更低，即中子在撞击原子时会携带能量，激发铍倍增中子所需的能量低于铅，因此铍的中子倍增效率更高。同时，聚变堆包层模块工作温度高，固态铅的熔点低、易熔化，使得其难以应用；铍熔点高，不存在 类似的风险。此外，铅的密度大，其作为中子倍增剂时的包层模块更重，对聚变堆材料和结构提出更高要求。 1.2.包层第一壁材料：未来钨或将全面取代铍 包层第一壁在托卡马克装置中直面高温等离子体，需长时间抗击热负荷、中子辐照、等离子辐照三重负载，对材料性能的要求极为严苛。目前，包层第一壁可选材料包括碳基材料、铍、钨，以及液态锂，各有优劣。 三重负载 材料要求 高热负荷 商业聚变堆第一壁的工作温度在1000℃以上，等离子破灭时高达2000～3000℃，故需选用熔点高、传热性好、不易软化的材料。 强中子辐照 氘氚聚变产生的14MeV高能量中子，会对第一壁材料进行冲击，导致其嬗变成其他不稳定核素，故需选择低活化材料。 强等离子体辐照 真空室中氘/氚等离子体的辐照可能会引发内壁材料溅射。若溅射的产物进入等离子体，可能会对等离子体造成干扰，导致其破灭，甚至致使等离子体撞向第一壁，引发爆炸风险。同时，包层第一壁材料若与氚反应，会导致聚变反应物减少。故 表1：包层第一壁面临的三重负载及对应材料要求 需选择溅射率低、不易与氢反应的材料。 资料来源：国泰君安证券研究 以全球最具代表性的托卡马克装置ITER为例，其在成立之初以及过往的方案设计中，均选取铍作第一壁材料（只在偏滤器等小部分位置采用钨或碳），但是在技术成熟后进行全钨替换一直是研究人员关注的重点问题。2023年起，ITER在新总干事上任后开始加速第一壁全钨替换的研究设计，着重从技术角度评估第一壁材料从铍变更为钨的后果及对ITER其他系统的影响。 图6：固态第一壁材料的性质及优缺点图7：磁约束实验中所选PFMs材料的演变历程 资料来源：《磁约束核聚变装置等离子体与壁相互作用研究简述》，国泰君安证券研究 资料来源：《Challengesforplasma-facingcomponentsinnuclearfusion》，国泰君安证券研究 碳基材料具有优异的热力学性能，最早应用于包层第一壁；但碳基材料氢吸附力强，会导致原料被损耗，逐渐被其他材料取代。铍原子序数低、质量轻，溅射后对等离子体干扰小，在2001年和2004年发布的ITER设计方案中，铍均被列入ITER的第一壁材料；但由于其熔点低、潜在有毒性，以及相对高的溅射率，故仅适用能留密度不高的等离子体第一壁。钨的熔点高、热导率高、热膨胀系数低，且随着等离子体约束水平的提高，钨的溅射超标问题被解决，已成为当下最具应用前景的第一壁材料，ITER正在加速第一壁全钨替换的研究设计。液态锂 是第一壁材料研发的新方向，其能够以流动形式自我更新，规避了固态材料寿命短、需替换的缺点；但锂较为活泼，在高温下易对装置材料造程腐蚀，且若液态锂泄露在等离子体、空气中，有可能引发安全事故，限制了其大范围应用。 2.铍：战略基础原材料 铍产业链的上游是铍矿石的开采，中游是铍的提取及加工处理，下游是铍产品在各行业的应用。铍产业链上游，自然界中具备商业开采价值的铍矿石仅两种，绿柱石、羟硅铍石，绿柱石是目前应用最广泛的铍生产原料，巴西拥有世界上最大的绿柱石矿床，其次为俄罗斯、印 度、中国、非洲等；羟硅铍石是美国开采的主要铍矿石，美国的羟硅铍石储量居世界第一。铍产业链中游，通过破碎、冶炼、浸出等一系列工艺制取得到产业链中间产品氢氧化铍，再根据不同用途生产铍铜合金、氧化铍和金属铍等终端产品。铍产业链下游，铍及铍合金主要 应用于核工业、航空航天、电子电器、机械和汽车制造等领域，在很多应用领域中铍是唯一适用或首选材料。 图8：铍产业链各环节 资料来源：国泰君安证券研究 2.1.上游：美国铍矿资源最丰富 全球铍金属储量约10万吨。美国为全球储量第一大国，铍金属储量6 万吨，主要资源为羟硅铍石；中国铍金属储量0.5万吨，主要资源为绿柱石。其他铍资源较丰富的国家有巴西、俄罗斯、哈萨克斯坦、印度；另外，非洲的马达加斯加、莫桑比克、尼日利亚、赞比亚以及卢旺达 也拥有比较著名的铍矿床。 图9：全球铍资源储量分布（铍金属当量，吨）图10：中