中美共振重点方向，可控核聚变产业化进程加速

中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 ｜证券研究报告｜ 中美共振重点方向，可控核聚变产业化进程加速 2025.4.5 分析师：王可 执业证书编号：S0740519080001Email：wangke03@zts.com.cn 核心观点 聚变能源燃料丰富、能量密度极大、安全环保，是人类社会未来的理想能源。世界范围内能源安全需求凸显，电力需求持续攀升。为了解决这些问题，核能受到广泛关注。核能是一种高效且清洁的能源，利用方式主要分为裂变和聚变，相对于核裂变，可控核聚变具有燃料来源更丰富、能量密度更大、安全性更高等显著优势。 近期国内外诸多进展催化产业发展，产业临界点或将到来。2025年1月20日“EAST”实现1亿摄氏度超千秒稳定运行，2月中国核电和浙能电力分别发布公告，拟以增资方式参股中国聚变能源有限公司，3月28日，中核集团核工业西南物理研究院新一代人造太阳“HL-3”，在国内首次实现原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度。美国Helion公司采用磁惯性约束路线，25年1月宣布完成新一轮4.25亿美元的融资，其中OpenAI创始人SamAltman投资了3.75亿美元，预计2028年实现商业发电。若Helion短期内实现Q>1，则有望吸引更多资本投入可控核聚变行业，进一步加速商业化进程。据FIA2024年报告，超过一半的公司预期2035年前实现并网发电，比此前预期的2050年大幅提速。 托卡马克是目前主流聚变路线，聚变-裂变混合堆有望率先落地。 通常对于核聚变中高温等离子体的约束方式有引力约束、惯性约束以及磁约束三种，实际工程中两大技术路线为惯性约束或磁约束。目前磁约束被认为是最有前景的实现大规模受控核聚变反应的方法，托卡马克是目前产业化重点方向。以ITER为例，磁体占总成本比约为28%，是成本构成中最突出的部分。 聚变-裂变混合堆物理成熟度高，在纯聚变堆商业化前有望率先落地。相较于纯裂变堆，混合堆安全性、铀资源利用率、环保性更高；相较于纯聚变堆，混合堆能量与燃料可自持。 全球加大可控核聚变投入，中美有望率先突破。全球范围内中美为投资主导力量，美国以CFS、Helion、TAE等私企主导聚变发展，中国聚变项目以科研院所牵头，CFETR、BEST、HL-3等项目正在积极推进中，混合堆“星火一号”和Z-FFR已开始建设。 建议关注相关标的：高温超导磁体：联创光电、永鼎股份、精达股份；ITER配套、核工专用泵及阀门：国光电气；铜钨偏滤器：安泰科技；真空室：合锻智能。 风险提示：可控核聚变工程可行性验证不及预期；核聚变相关投入不及预期；市场规模测算偏差的风险；相关 标的业务进展不及预期；相关标的业绩不及预期；研报使用的信息存在更新不及时风险。 2 目录 CONTENTS 1 可控核聚变是人类终极能源，产业化进程有望加速 2 托卡马克为产业化重点方向， 混合堆有望先行商用进行过渡 3 可控核聚变行业格局：中美争先 4 相关标的梳理 比较维度 核裂变 核聚变 燃料来源 主要使用铀-235、钚-239等放射性元素，需要通过采矿和精炼获得。 主要使用氘和氚作为燃料。氘可从海水中提取，氚可通过锂在反应堆中与中子反应生成。 燃料储量 铀：全球已探明储量约为792万吨，大约能使用90年。 氘：每升海水含约0.03克氘，全球海水中氘的总量约为40万亿吨，足够人类使用100亿年。氚：现成氚的唯一来源来自重水裂变反应堆，全球CANDU反应堆的氚产量约为每年20公斤，后续可通过锂-6进行反应生成。 能量密度 1g铀裂变放出的热量相当于2.6t标准煤。 氘-氚聚变为1g氦放出的热量相当于11.2t标准煤。 辐射性 产生长寿命的放射性废料，需要长期管理和存储。 产生的放射性废料寿命相对较短，处理相对容易，但反应过程中会产生高能中子，对材料有辐照损伤。 1.1、可控核聚变能源是人类社会未来的理想能源 世界范围内能源安全需求凸显，电力需求持续攀升。自2021年以来，化石燃料价格波动频繁，俄乌冲突导致能源供应链危机进一步恶化，凸显了能源安全的重要性；生成式人工智能（AI）的普及和数据中心的扩张显著增加了全球电力需求。预计到2030年智能计算年耗电量将达到5000亿千瓦时，占全球发电总量的5%。为了应对能源安全与需求膨胀等诸多问题，核能逐渐成为发展焦点。 核能是一种高效且清洁的能源，可利用的核能包括核裂变、核聚变两种形式。核能源于原子核发生变化时产生的质量损失，可利用的核能主要有核裂变、核聚变两种释放方式：核裂变是指重元素的原子核分裂为较轻元素的原子核并释放出能量的过程，常用铀-235作为反应燃料;核聚变是质量较轻元素的原子核互相聚合形成较重元素的原子核并释放能量的过程，常用氘氚作为反应燃料。 相对于核裂变，可控核聚变具有燃料来源更丰富、能量密度更大、安全性更高等显著优势。人类对核聚变应用的终极理想是可控核聚变电站，希望能稳定可控地利用聚变释放出来的能量。未来可控核聚变一旦实现，有望使石油脱离能源属性，改变能源格局。鉴于可控核聚变能源的巨大潜力，国务院国资委在2023年实施未来产业启航行动，明确将其列为未来能源领域唯一的重要发展方向。 图表1：核裂变与核聚变典型反应原理示意图图表2：核裂变与核聚变对比 聚变反应裂变反应 来源：中国核电网，中泰证券研究所来源：WorldNuclearAssociation，新浪财经，ITER，《核裂变与核聚变发电综述》，中泰证券研究所4 1.2、可控核聚变商业化的关键是实现净能量稳定输出 劳森判据是能否实现聚变点火的判定条件。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（点火的聚变三乘积大于5×1021m−�·s·ke𝑉），才能产生有效的能量输出。其中，等离子体密度与等离子体温度提升在工程方面实现难度相对较高，而能量约束时间与装置的尺寸R和磁场强度B正相关，故可以通过扩大半径或加强磁场来提升能量约束时间，从而提升总体约束性能。 聚变能源商业化的关键在于实现净能量输出，Q>1是前提条件。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，Q值达到1是科学上的“盈亏平衡点”。当Q值大于1时，理论上装置产生的能量大于维持装置运行所消耗的能量，可初步实现净能量输出。一般认为商业化的基本要求是Q大于10。 图表3：聚变实现需要点火三乘积达到一定条件 可提升 能量约束时间-𝑟� 𝑟��𝑅� 需大于3秒 不易提升 等离子体密度-� 需达到𝟏𝟎𝟐𝟎𝒎−�数量级 等离子体温度-𝑇� 需达到1亿摄氏度 聚变三乘积：�×�×� �� 需大于𝟏𝟎𝟐�数量级 来源：《超导磁体技术与磁约束核聚变》，中泰证券研究所 5 1.3、国内边际变化：技术持续突破、产业投入加大 “EAST”、“HL-3”实现重大突破。2025年1月20日，“EAST”在安徽合肥创造新世界纪录，首次完成1亿摄氏度1000秒“高质量燃烧”，是我国聚变能源研究实现从基础科学向工程实践的重大跨越，有望推进产业快速落地。3月28日，中核集团核工业西南物理研究院新一代人造太阳“HL-3”，在国内首次实现原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度，综合参数聚变三乘积实现大幅跃升。 中国核电和浙能电力拟增资参股中国聚变能源有限公司。2025年2月，中国核电和浙能电力分别发布公告，拟以增资方式参股中国聚变能源有限公司。2月28日，中国核电公告称，公司拟以增资方式参股中国聚变能源有限公司，投资金额为10亿元。旨在响应国家未来产业战略发展要求，推动聚变产业发展。浙能电力同步公告，公司拟以增资方式参股中国聚变能源有限公司，投资金额约7.5亿元。 图表4：中国“人造太阳”创造“亿度千秒”世界纪录 来源：中国科学院官网，中泰证券研究所6 1.3、国外边际变化：可控核聚变商业化预期时间提前 2025年1月Helion公司宣布完成新一轮4.25亿美元的融资，此前OpenAI创始人SamAltman已投资3.75亿美元。Helion采取磁惯性约束路线，相对托卡马克方案能量转化率更高、结构更加简约、实现成本更低。公司自2013年已先后建成七个原型机，该公司计划在华盛顿马拉加建造世界首座核聚变发电厂，容量为50MW，预计于2028年开始发电。若Helion短期内实现Q>1，则有望吸引更多资本投入可控核聚变行业，进一步加速商业化进程。 全球可控核聚变公司对于聚变发电时间共识提前。据核聚变工业协会（FIA）2024年报告，超过一半的 公司预期2035年前实现并网发电，比此前预期的2050年大大提速。 图表5：Helion第六代原型机Trenta 来源：新浪财经，中泰证券研究所 图表6：第一座核聚变电厂向电网供电时间及商业化时间预计 第一座聚变电厂向电网供电时间预计 第一座聚变电厂商业化时间预计 来源：《Theglobalfusionindustryin2024》，中泰证券研究所7 目录 CONTENTS 1 可控核聚变是人类终极能源，产业化进程有望加速 2 托卡马克为产业化重点方向， 混合堆有望先行商用进行过渡 3 可控核聚变行业格局：中美争先 4 相关标的梳理 2.1、磁约束与惯性约束是两大核心技术路线 通常对于核聚变中高温等离子体的约束方式有3种：引力约束、惯性约束以及磁约束。其中引力约束以目前技术在地面上很难实现，工程中目前两大技术路线为惯性约束和磁约束。后续的发展中，又出现了结合二者优点的磁惯性约束方案。 惯性约束聚变：通过激光产生的巨大的压强，使核燃料体积在极短的时间内变小，密度变大，原子核发生聚变反应，释放出能量。 磁约束聚变：利用磁场来约束温度极高的等离子体的核燃料以使其发生聚变反应释能。 磁惯性约束聚变：结合惯性约束与磁约束两条技术路线的特点，约束时间和密度均处于两者之间。 图表7：核聚变约束方式示例图表8：磁约束与惯性约束主流装置示意图 约束技术 原理介绍 主要应用示例 引力约束 通过物质自身质量产生巨大的引力来实现对等离子体的约束，类似于太阳的核聚变过程。 - 磁约束 利用磁场约束带电粒子沿磁力线运动，使等离子体在高温和高压下发生核聚变反应。 托卡马克、仿星器、磁镜 惯性约束 通过超高功率激光或粒子束将微型燃料球加热并压缩至极高密度，引发核聚变反应。 激光聚变装置 磁惯性约束 兼具惯性约束聚变与磁约束聚变的特征,结合了两者的优点 反场构型(FRC) 托卡马克仿星器 磁约束 来源：《超导磁体技术与磁约束核聚变》，《磁惯性约束聚变：通向聚变能源的新途径》，中泰证券研究所 惯性约束 激光惯性约束（左为直接驱动，右为间接驱动） 来源：中国核技术网，《激光惯性约束聚变靶制备技术研究进展》，中泰证券研究所 2.1、托卡马克是目前产业化主流路线 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，托卡马克是目前产业化重点方向。核聚变反应所需的燃料（氢的同位素氘和氚）在高温下被电离成等离子体状态，等离子体由大量带正电的离子和带负电的电子组成。根据洛伦兹力定律，当带电粒子在磁场中运动时，会受到与粒子速度方向垂直的洛伦兹力。这个力会使带电粒子的运动轨迹发生弯曲，从而被约束在磁场范围内。磁约束维持了等离子体的稳定性，为核聚变反应的进行提供了必要条件。采用托卡马克装置的磁约束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9：托卡马克装置运行原理示意图 来源：《我国磁约束核聚变能源的发展路径、国际合作与未来展望》，中泰证券研究所 2.2、可控核聚变产业链梳理 目前可控核聚变主要实现方案是托卡马克，产业链包括上游材料供应，中游超导磁体、第一壁相关结构、真空模块及下游的电站运营等。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。中游环节是产业链的核心，