可控核聚变新阶段，迈向终极能源第一步

Part2为什么当下是可控核聚变的新阶段？Part1什么是可控核聚变？Part4核聚变度电成本具备竞争力Part3装置架构拆解与产业链成本图谱Part5投资建议和风险提示 摘要◆可控核聚变是终极能源解决方案，但实现难度高，当前技术路径多样。可控核聚变因能量密度高、燃料储量丰富、安全性优越，被视为终极能源解决方案。当前主流技术路径包括磁约束（托卡马克装置）、惯性约束（NIF装置）及磁惯性约束（直线型装置），国内外多个装置在建，处于劳森判据Q>1的验证阶段。◆为什么当下是可控核聚变的新阶段？一、政策与资本双轮驱动产业化。1）政策上，中国通过多项财政支持、央企协同、研发创新及安全监管等政策举措推动核聚变产业发展；海外竞相锁定30-40年代商用时间窗口，通过资金注入、机制优化和国际合作加速技术转化。2）投资上，24年全球聚变企业达50家，80%为私营，美国占半数，国内以聚变新能和中国聚变能领衔，分别布局低温超导和高温超导托卡马克，聚焦25-30年的Q值验证和30-40年的商业电站落地目标。二、多种技术路径百花齐放，实验&工程有望突破。1）高温超导磁体将托卡马克体积缩小至传统装置的1/40，成本降低、迭代加速，是未来发展方向；2）直线型磁惯性装置Helion计划25年下半年达到Q>1，28年实现50MW商用并网；3）NIF惯性路径单次点火Q>2；提出聚变-裂变混合堆规划等。三、装置密集建设期，招标体量大。核聚变单堆实验装置投资百亿元量级，国内25-27年是聚变装置密集建设期，包括BEST、洪荒170、和龙-2、星火一号等，综合年均投资超100亿元，规模体量大。四、节点验证即将到来，拐点渐近。25-26年SPARC与Helion将验证高温超导/磁惯性路线的科学可行性；27-28年国内多个装置建设完成，验证国内独立自主核聚变工程可行性，同时海外首个聚变电厂订单落地，或将标志着行业从“实验”迈向“能源”。◆核聚变供应链较长、工程难度大。当前最为成熟的是低温超导托卡马克路线，初代实验堆的投资约150亿元，迭代周期约5-10年，其成本拆分为：磁体系统20-30%、真空室三大件12-15%、偏滤器包层5-10%，若是高温超导托卡马克，则磁体系统成本占比达50%；当前产业链核心系统多由央国企承担，民营企业则聚焦细分领域，上市的核心供应商为西部超导、国光电气、安泰科技等；其次最快验证Q>1的直线型装置投资约30-40亿，其模块化程度高，迭代周期仅1-2年，成本占比最高的是电源系统，占50%。◆远期经济性测算彰显核聚变潜力。托卡马克因体积大、建设周期长，在初始成本上仍占劣势，但具备长周期稳态运行潜力；直线型装置结构简单、投资低、建设快，短期经济性突出。我们计算低温超导托卡马克聚变装置、直线型磁惯性聚变装置，在Q=30和Q=3的情况下，度电成本分别为0.31、0.27元/kwh，低于火电，具备商业化竞争力，若聚变功率进一步提升则度电成本有望低于0.2元/kwh，将成为成本最低的能源形式。◆投资建议：在政策与资本双轮驱动下，核聚变国内外多个装置在建，拉动大规模招标，25-28年将集中验证Q>1，推动行业从实验向产业迈进，未来空间无限，建议关注核心供应商：西部超导（低温超导磁体）、联创光电（高温超导磁体）、爱科赛博（磁体电源）、精达股份（高温超导带材）、国光电气（第一壁&偏滤器）、安泰科技（偏滤器）等◆风险提示：技术瓶颈风险、巨额资金投入风险、国际竞争与专利风险、政策不确定性风险、需求与商业模式风险备注：全文的“预计”如果没有特别说明，均为东吴证券研究所电新组预测 3 Part1什么是可控核聚变？ 核聚变的基本原理数据来源：百度百科，东吴证券研究所◆核聚变：两个较轻的核结合，形成一个较重的核和一个极轻的核（或粒子）的一种核反应形式。质量小的原子，主要是指氘，在一定条件下（如超高温和高压），能让核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，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），中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。恒星的能量来源就是内部不断进行的核聚变反应；而不可控的核聚变就是氢弹的爆炸。◆核聚变优势：反应能量大、燃料资源充足、安全性高、放射性低、未来度电成本低，因此可控核聚变被认为是终极能源形式。图表：不可控核聚变：氢弹的爆炸 图表：可控核聚变：太阳 ◆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（完全电离的气体）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。通常为磁约束、惯性约束、磁惯性约束。数据来源：国家核安全局、《南方能源建设》2024年5月、核聚变与等离子体物理公众号，东吴证券研究所类型磁约束磁约束通过加热等外部手段将燃料温度提升，极高的温度使得燃料完全电离形成等离子体，采用特殊结构的磁场形式把燃料离子和大量自由电子组成的处于热核反应状态的高温等离子体约束在有限的体积内，使之受到控制地发生核聚变反应，并在此过程中释放出能量。增强磁场可以大幅度地减小带电粒子横越磁力线的扩散和导热特性，使处于磁场中的高温等离子体与反应容器的壁面隔开，从而保护壁面不受高温侵袭。惯性约束惯性约束采用高能量的激光或粒子束将燃料加热和压缩为等离子体，在自身惯性作用下，等离子体在极短的时间内来不及向四周飞散，在此过程中被压缩至高温、高密度的物理状态，从而发生核聚变反应。由于这种核聚变的方式是通过等离子体自身的惯性作用约束而实现的，因此被称为惯性约束核聚变。这种约束方式约束的时间尺度较短，形成的等离子体具有较高的温度和密度等特征参数，需要大量的能量输入和精密的控制技术。磁惯性约束磁惯性约束融合磁约束的持续性与惯性约束的高密度优势，其核心思路分3步：1.磁场初步约束等离子体；2.通过电场或磁场等方式加速粒子，使其汇聚于反应区；3.磁场进一步约束压缩反应区等离子体，实现聚变反应。磁惯性约束聚变兼具惯性约束聚变与磁约束聚变的特点，其等离子体参数介于二者之间，同时由于其成本低廉、设施小型化、研发周期相对较短等优势，因此具有潜在的商业价值。图表：惯性约束核聚变原理示意图图表：磁约束核聚变原理示意图技术路径分类及发展历程 6概念图表：磁惯性约束核聚变装置Polaris 磁约束：当前物理研究上最成熟的路线1技术路径分类及发展历程◆磁约束聚变是指用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量，主要的装置有托卡马克、仿星器。◆磁约束路线的托卡马克装置是当前物理研究上最成熟的路线，早在1998年日本JT-60装置上实现能量增益因子Q值达到1.25，实现科学可行性向工程可行性的跨越。由于传统托卡马克装置资金需求量大、工程复杂度大，几大国家联合推出国际热核聚变实验堆（ITER）计划，是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，投资超220亿美元，2006年启动建设，计划2035年实现Q≈10的氘氚聚变实验，验证商业聚变的工程可行性。1950-19601990•托卡马克概念提出，多种聚变装置尝试，1968年，苏联T-3托卡马克首次实现高温等离子体稳定运行•大型托卡马克装置运行，1991年JET进行世界首次氘氚实验，1998年JT-60U实现Q达到1.25，实现科学可行性向工程可行性的跨越•ITER建设启动，是全球规模最大的托卡马克装置；中国EAST、韩国KSTAR、日本JT-60升级计划展开数据来源：ITER组织官网，可控核聚变网，东吴证券研究所 2000•新一代高温超导托卡马克概念涌现，私营企业加速推进商业托卡马克 2020 7 惯性约束：率先实现聚变点火，但系统总Q值仍远小于12技术路径分类及发展历程◆惯性约束聚变是通过激光或粒子束在极短时间内对燃料靶丸进行加热和压缩，使其内部产生极端高温高压，从而触发核聚变反应。该路径最早在上世纪50年代提出，随着激光技术的突破而逐步推进。◆美国国家点火装置（NIF）是当前最具代表性的惯性约束聚变平台，2009年建成，采用“间接驱动”路径，目标是实现聚变点火。2022年NIF首次实现聚变净能量增益（Q>1），验证了理论模型的可靠性，但若计入激光器电能到激光的转换损耗，系统总Q值仍远小于1。其意义更多在于验证极端物理模型和国防研究，而非直接推动商用可控核聚变。◆英国First Light Fusion等企业也在探索“飞片驱动”等新型激光/动能路径，尝试以更高效率、更低成本实现惯性约束的工程转化。1950-19601990•激光驱动聚变设想提出，惯性约束聚变研究起步•多束激光系统开发，间接驱动与直接驱动路径确立，为NIF建设奠定基础•美国NIF建成，是最具代表性的惯性约束聚变平台；欧洲HiPER、日本GEKKO-EX等装置相继推进激光融合研究数据来源：NIF官网，可控核聚变网，东吴证券研究所 20002020•NIF连续实验接近点火阈值，2022年实现全球首次惯性约束聚变净能量输出（Q>1） 磁惯性约束：设备小型化与工程灵活性的潜力路径3技术路径分类及发展历程◆磁惯性约束聚变是一种融合磁约束与惯性压缩优点的混合路径，旨在以更小型装置实现高能量效率和频繁脉冲聚变。早期虽有场反转构型（FRC）设想，但长期处于非主流探索。◆进入2010年代，HelionEnergy、GeneralFusion等私营企业以MIF为技术核心，相继开发磁线圈+电磁压缩等创新装置，目标是低成本、模块化、中小型反应堆形态实现可控聚变，目前处于工程验证与技术突破并行期。◆2023年Helion宣布离子温度达到1亿度；近期计划25年下半年实现Q>1，与微软签署2028年购电协议，成为技术迈向商业化的重要标志。磁惯性路径因其工程灵活性和资本吸引力，正逐步形成新兴赛道。1960-19902010•多种磁惯性约束设想（FRC）提出，未成主流路径•私营企业如Helion、General Fusion探索磁惯性约束原型装置数据来源：Z-machine官网，Helion官网，可控核聚变网，东吴证券研究所 2023•Helion宣布离子温度达到1亿度•Helion预计实现Q>1,与微软签署商业购电协议，成为MIF迈向商业化的重要标志。 2025 可控核聚变主要装置类型4技术路径分类及发展历程数据来源：ITER官网，可控核聚变网，东吴证券研究所约束类型磁约束主要装置名称托卡马克仿星器代表项目ITERW7-X装置结构图 核聚变的难点◆一、克服库仑斥力：核聚变需要极高的温度和足够的密度才能克服原子核直接的排斥力。◆二、满足劳森判据Q阈值：根据Lawson判据，聚变反应需要满足特定的条件，即等离子体密度、温度和约束时间的三重积，nTτ≥3×10²¹keV·s/m³，当该值超过阈值时，聚变就可以自行维持。一般来讲，温度T>10KeV可以满足，仍需约束nt>3×1020m-³s。当𝑄=1时，表示聚变反应产生的能量等于输入的能量，𝑄>1，意味着聚变反应实现能量的净增益。Q≥30被认为是可实现商业化的标志。当前人类仅在JT60上实现Q=1.25，其余装置均处于Q接近1的临界点，并未真正突破。数据来源：安徽省核科技馆官网、中国大百科全书，东吴证券研究所 Q值平衡点意义Q=1科学盈亏平衡点Q=1是能量收支平衡点（输出=输入），Q>1是核聚变自持反应的起点Q≥5工程盈亏平衡点等离子体进入“燃烧状态”，聚变能量可自我维持Q≥30经济盈亏平衡点运行效率足够高，不仅能自给自足，还能产生并出售额外的电能，实现商业化运行图表：Q值的意义图表：克服库仑斥力需要极高温度和足够密度 11 核聚变的难点◆三、反应材料的选择：反应燃料通常是最易实现的氘氚DT为主，但氚价格昂贵且受管控，自持还未突破。◆四、工程复杂度高：装置的工程建设难度极高、需要花费大量时间