可控核聚变专题：能源终极之路，商业化加速推进

行业投资评级 强于大市|维持 行业基本情况收盘点位 1469.41 52周最高 1651.26 52周最低 1090.08 行业相对指数表现（相对值） 30% 机械设备 沪深300 25%20%15%10% 5%0% -5% -10%-15% -20% 2024-012024-032024-062024-082024-102025-01 资料来源：聚源，中邮证券研究所 研究所 分析师:刘卓 SAC登记编号:S1340522110001 Email:liuzhuo@cnpsec.com分析师:虞洁攀 SAC登记编号:S1340523050002 Email:yujiepan@cnpsec.com 近期研究报告 《口腔设备专题：CBCT市场空间测算》 -2024.12.12 可控核聚变专题：能源终极之路，商业化加速推进 投资要点 核聚变能，被视为人类理想的终极能源。核聚变能具有燃料丰富清洁、安全性高、能量密度大等突出优点，被视为人类理想的终极能源。可控核聚变是可控的、能够持续进行的核聚变反应，目标是实现安全、持续、平稳的能量输出。可控核聚变仍在技术攻克过程中，主要的约束方式有惯性约束（通过高能激光或粒子束将燃料加热并压缩成等离子体）和磁约束（托卡马克、仿星器、反向场箍缩及磁镜等）。 全球维度来看，托卡马克是主流路线，中国近几年开始发力。托卡马克约占目前全球聚变装置的50%，是最主流方案。2024年，聚变项目的资金来源主要还是公共资金，约占70%；不过民间资金的增长较快，从2021-2024年增长超过一倍。截至2024年，全球聚变装置大部分还是实验设计阶段，合计有139台，约占88%；聚变电站合计有20台，约占12%。历史上，对聚变能源的投资约70%发生在美国。从2023年开始除美国之外的更加多的国家对于聚变能源公司的股权 投资力度加强，其中，中国的投资自2022年开始明显加大。 ITER是全球最大的国际热核聚变实验堆合作项目，技术路线采用托卡马克，但存在投资成本超预期、项目进度延后的问题。ITER计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，目前正在建设世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆。ITER由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国7方共同参与建造，欧盟作为ITER设施的主办方，贡献的费用有45％左右，其他六方各贡献约9％。ITER项目于2006年正式启动，国际合作伙伴计划在十年内为该项目注入63亿美元，而最新的成本预算飙升到220亿美元进度方面，ITER原计划2025年正式开始等离子体实验，2035年进一步开始进行全氘－氚聚变实验。但由于新冠疫情导致供应链延迟，外加部分关键机器部件需要维修，根据新路线图，氘-氚聚变实验阶段预计从2039年开始，较原计划推迟4年。 商业化核聚变公司加速兴起，目标2035年并网。近几年，随着高温超导材料的突破性应用与AI技术在等离子体控制领域的深度融合，为聚变的研究提供了一种全新的可能性——显著提升β（等离子体比压）与B（磁场强度）。这一进步促成了装置尺寸的显著缩小，进而大幅降低了单个装置的制造成本与建设周期。比如当前的托卡马克装置总投资额可以缩小到1.5亿人民币，相较于那些耗资百亿的项目；整个建设过程仅需两年左右即可完成。根据FIA资料显示，过去五年中大量初创商业化公司成立，累计投资金额在65亿美元左右。从统计情况来看，大概70%的商业化聚变公司表示预计在2035年之前做出第一台商业化的示范堆完成聚变发电并网。中国对于可控核聚变的商业化投入从2022年开始加速，目前国内商业化可控核聚变公 司主要包括聚变能源、新奥能源、能量奇点、星环聚能等。 上市公司层面，多以某一环节产品设备供应或技术储备的方式参与产业链。随着可控核聚变的商业化进程加速，看好相关环节配套卡位公司，建议重点关注：联创光电、永鼎股份、安泰科技、海陆重工、爱科赛博、精达股份等。 风险提示： 技术发展不及预期；行业竞争加剧风险；行业技术路径变革风险国内外政策变化风险；资金配套不及预期风险。 目录 1可控核聚变：人类能源终极之路5 1.1核聚变能具有诸多突出优点，被视为人类理想的终极能源5 1.2核聚变的三种约束方式6 2国内外可控核聚变进展如何？8 2.1全球维度来看，托卡马克是主流路线，中国近几年开始发力8 2.2ITER：全球最大的核聚变合作项目，但苦于投资超预算、进度滞后10 2.3商业化核聚变公司加速兴起，目标2035年并网13 3相关上市公司17 4风险提示20 图表目录 图表1：核裂变和核聚变示意图5 图表2：核聚变的优势6 图表3：间接驱动惯性约束方法的聚变示意图7 图表4：惯性约束原理发电厂示意图7 图表5：托卡马克装置示意图8 图表6：仿星器示意图8 图表7：2021-2024年全球聚变装置数量（个）及结构9 图表8：截至2024年全球聚变装置按技术路线分9 图表9：2024年聚变项目的资金来源9 图表10：截至2024年全球各地区的聚变装置（按实验堆和电站分）（单位：个）9 图表11：2010-2024年各主要国家对聚变能源公司的股权投资（单位：十亿美元）10 图表12：iter项目示意图11 图表13：iter项目在法国的俯拍施工图11 图表14：中国在ITER承接的部分及占比12 图表15：ITER增强热负荷第一壁首件12 图表16：ITER项目进度低于预期，投资成本超预期13 图表17：可控核聚变的主要三个变量因素14 图表18：全球范围过去五年中大量初创的核聚变商业化公司成立15 图表19：大部分公司预计2031-2035年有望实现聚变发电16 图表20：国内可控核聚变主要公司17 图表21：可控核聚变产业链18 1可控核聚变：人类能源终极之路 1.1核聚变能具有诸多突出优点，被视为人类理想的终极能源 核能是一种高效且清洁的能源，源于物质元素的原子核发生变化时释放的能量，通常称为核能。与支持生命的化学能不同，核能来自原子的核内，而化学能则涉及核外能量，参与生命过程的化学反应不会导致原子核的变动。核能释放的能量主要分为两类：（1）核裂变（nuclearfission），指重元素的原子核（通常采用铀、钚、钍等）分裂为较轻元素的原子核时释放的能量，称为核裂变能；（2）核聚变（nuclearfusion），指小质量元素的原子核（通常采用氢的同位素氘和氚）聚合成重核时释放的能量，称为核聚变能。 图表1：核裂变和核聚变示意图 资料来源：中国新材料产业技术创新平台，中邮证券研究所 核聚变能具有燃料丰富、清洁、安全性高、能量密度大等突出优点，被视为人类理想的终极能源。目前核能发电利用的是裂变能。而对于核聚变的应用，目前全球仍在努力研究探索。核聚变具有几个突出的优势，使得其相比于其他能源被认为是人类未来最理想的能源：首先它的原料储量极其丰富，氘可以从海水中廉价提取，而氚则可以利用聚变产生的中子与丰富的天然锂反应产生；其次，燃烧”每单位质量的燃料释放出的能量非常大，理论上，只要有几克这些反应物， 就可以产生一万亿焦耳的能量，这大约是一个发达国家里一个人60年所需的能量；此外，核聚变能源对环境的污染轻，聚变产物没有放射性。和风能太阳能相比，聚变能源可按需提供，不受天气影响，可靠性更强。 图表2：核聚变的优势 资料来源：中国核能行业协会，中科院等离子体物理研究所，中邮证券研究所 核聚变已有氢弹的应用，难的是可控，也就是可控核聚变，使得聚变能源可以在控制的情况下实现安全、持续、平稳的能量输出。核聚变目前已经可以实现了，比如氢弹就是核聚变原理。难的是可控核聚变，也就是可控的、能够持续进行的核聚变反应，实现安全、持续、平稳的能量输出。目前可控核聚变还在突破的过程中，主要难点包括高温高密度和长约束时间。 1.2核聚变的三种约束方式 核聚变反应对于温度的要求非常高，通常需要达到上亿摄氏度。在如此高的温度下，气体分子将被完全电离，此时物质以高温等离子体形态存在。为了持续输出反应能量，对于聚变等离子体的有效约束是关键。通常对于此类高温等离子体的约束方式有3种，即引力约束、惯性约束，以及磁约束： 1引力约束 最典型的引力约束核聚变是太阳的发光发热。由于太阳的巨大质量，它能够利用自身的引力将核燃料紧密束缚在一起。在这种极端高温高压的环境中，核燃料发生核聚变反应，从而释放出大量能量。目前人类现有的技术尚无法在地面上 构建可以实现引力约束的反应堆。 2惯性约束 惯性约束是一种常用的核聚变约束方式，通常通过高能激光或粒子束将燃料 加热并压缩成等离子体。在自身惯性作用下，等离子体在极短的时间内无法向外扩散，从而被压缩到高温和高密度的状态，进而发生核聚变反应。由于这种聚变方式是依靠等离子体自身的惯性来实现的，因此称为惯性约束核聚变。这种约束方式的时间尺度较短，形成的等离子体具有较高的温度和密度特征，且需要大量的能量输入和精确的控制技术。 图表3：间接驱动惯性约束方法的聚变示意图图表4：惯性约束原理发电厂示意图 资料来源：lasersllnl,中邮证券研究所资料来源：lasersllnl,中邮证券研究所 3磁约束 磁约束被认为是目前最有前景的实现大规模受控核聚变反应的方法，目前研 究的装置包括托卡马克、仿星器、反向场箍缩及磁镜等。带电粒子在磁场中倾向于沿着磁力线运动，而横越磁力线的运动则会受到限制，因此磁场可以有效地约束带电粒子。磁约束核聚变通过外部加热手段提升燃料的温度，使其完全电离形成等离子体。采用特殊结构的磁场将包含燃料离子和大量自由电子的高温等离子体限制在一个有限的空间内，从而控制其进行核聚变反应并释放能量。增强的磁场可显著减小带电粒子横越磁力线的扩散和导热，使高温等离子体与反应容器的壁面隔离，从而保护容器壁免受高温的侵蚀。采用托卡马克装置的磁约束技术路线，通常被认为主流的核聚变技术路线，是最有可能率先成功的方式。全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆（ITER），即采用了托卡马克装置。 图表5：托卡马克装置示意图图表6：仿星器示意图 资料来源：王志斌等《我国磁约束核聚变能源的发展路径、资料来源：王志斌等《我国磁约束核聚变能源的发展路径、 国际合作与未来展望》，中邮证券研究所国际合作与未来展望》，中邮证券研究所 2国内外可控核聚变进展如何？ 2.1全球维度来看，托卡马克是主流路线，中国近几年开始发力 托卡马克约占目前全球聚变装置的50%，是最主流方案。从左下图可以看到，托卡马克一直是聚变装置的主流，截至2024年，托卡马克路线约占全球聚变装置的50%。托卡马克、仿星器、激光惯性、其他路线分别有79台、23台、12台、45台。近年来，除托卡马克之外的技术路线增长比较快，目前还是多种技术路线并行探索开发阶段。 图表7：2021-2024年全球聚变装置数量（个）及结构图表8：截至2024年全球聚变装置按技术路线分 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 2021年2022年2023年2024年 托卡马克仿星器激光惯性约束其他 其他,28.30% 激光惯性约束,7.55% 仿星器,14.47% 托卡马克,49.69% 资料来源：IAEA，中邮证券研究所资料来源：IAEA，中邮证券研究所 公共资金是聚变项目的主要资金来源，近年来民间资金增长较快。2024年，聚变项目的资金来源主要还是公共资金，约占70%；不过民间资金的增长较快，从2021-2024年增长超过一倍。截至2024年，全球聚变装置大部分还是实验设计阶段，合计有139台，约占88%；聚变电站合计有20台，约占12%；从地区分布情况来看，北美、欧洲、亚太区在电站建设进度上领先，亚太在实验堆方面数量最多。 图表9：2024年聚变项目的资金来源图表10：截至2024年全球各地区的聚变装置（按实验堆和电站 分）（单位：个） 60 50 民间资金,40 30%30 20 10 亚太区 欧洲 北美 非洲 0 拉丁美洲及加勒比地