可控核聚变专题一：磁体材料更迭驱动托卡马克性能提升

glzqdatemark12025年07月01日 |报告要点|分析师及联系人请务必阅读报告末页的重要声明 实现可控核聚变约束有三种途径，即磁约束、引力约束、惯性约束，磁约束是目前实现可控核聚变工程化的有效路径，托卡马克是磁约束的核心装置，其中磁体是主要设备。超导材料具有零电阻效应，能承载电流密度更高，实现更强磁场，产业趋势由低温超导托卡马克更迭到高温超导托卡马克，高温超导托卡马克装置中磁体价值量有明显提升，超导材料行业需求增速明显。张磊张天浩SAC：S0590524110005 SAC：S0590525040001 请务必阅读报告末页的重要声明电力设备可控核聚变专题一：磁体材料更迭驱动托卡马克性能提升投资建议：上次建议：相对大盘走势相关报告1、《电力设备：周期重振开新局，技术进阶启新章——电新行业2025年度中期投资策略》2025.06.232、《电力设备：2024A&2025Q1电新行业财报总结：需求边际向好，结构性复苏特征延续》2025.05.07扫码查看更多-10%7%23%40%2024/62024/10电力设备 2/16强于大市（维持）强于大市➢磁约束是实现可控核聚变工程化的有效路径实现可控核聚变约束有三种途径，即磁约束、引力约束、惯性约束，磁约束是实现可控核聚变的有效路径。目前磁约束方案装置类型主要有磁镜、仿星器、托卡马克，托卡马克实验参数明显、技术路线清晰、规模化工程可行性高。磁体是托卡马克核心装置之一，托卡马克线圈结构主要包含环向场线圈（TF）、中心螺线管（CS）、极向场线圈（PF）、校正线圈（CC）。➢从铜基到高温超导材料，托卡马克装置不断升级磁约束聚变装置，磁场越高约束约强，聚变功率与磁场强度的四次方成正比，要实现强磁场需要超导技术，超导材料具有零电阻效应，能承载电流密度更高，实现更强磁场。早期托卡马克使用铜基磁体，主要为无氧铜（OFC）材料如TFTR、JET装置。1970年代末期，随着材料突破，低温超导（LTS）项目陆续推出，如T-7、EAST、ITER项目。高温超导（HTS）为未来趋势，REBCO材料具有更高的临界温度和热稳定性，ST25证实了高温超导托卡马克装置可行性，SPARC项目准备建成高温超导托卡马克。➢低温超导已商用，高温超导是趋势超导材料具有零电阻、完全抗磁性、量子隧穿效应三大基本特性，可以实现大电流输运、产生强磁场。依据临界温度不同将超导材料分为低温超导、高温超导，低温超导代表材料主要为铌合金材料如NbTi和Nb₃Sn，高温超导代表材料主要是BSCCO和REBCO。高温超导应用领域多样，高温超导材料其应用领域市场份额占比最高的为磁体49.3%，其中磁体主要应用于可控核聚变占比38%。➢高温超导托卡马克中磁体价值量提升高温超导托卡马克具备临界温度提升、装置紧凑化、小型化、高场强等优势，单项目成本不同，低温托卡马克以ITER项目来看磁体系统占比28%，高温托卡马克以ARC项目为例，磁体系统成本为46%，从低温到高温磁体成本占比明显提升，价值量更大。核聚变产业提速，单台托卡马克对高温超导材料需求几千公里到几万公里，行业需求量明显提升，2024-2030年复合增速预计为59.3%。➢投资建议：关注磁体和超导带材公司高温超导托卡马克技术路线需要高温超导磁体和带材，目前主流技术包括低温超导材料（NbTi/Nb₃Sn）和高温超导材料（REBCO/Bi-2212），低温超导磁体公司国外主要有ASG Superconductors、SIGMAPHI等，国内主要为西部超导等，高温超导带材公司国外主要有FFJ、古河电工等公司，国内主要有上海超导、苏州新材料研究所等。风险提示：核聚变项目审批招标进度不及预期；核聚变科研路线研发进度不及预期；超导材料市场竞争风险2025/22025/6沪深300 正文目录1.磁体升级提升托卡马克科研边界......................................41.1磁约束最接近可控，核心装置为托卡马克.........................41.2托卡马克磁体升级路线：从铜基到高温超导材料...................72.低温超导过度到高温超导是技术趋势..................................92.1低温超导主要为NbTi/Nb3Sn，高温超导为BSCCO/REBCO.............92.2高温超导托卡马克中磁体价值量占比提升........................113.相关公司.........................................................144.风险提示.........................................................15图表目录图表1：聚变的三种约束类型............................................4图表2：磁约束装置：磁镜、仿星器、托卡马克............................4图表3：部分全球磁约束装置............................................5图表4：ITER项目线圈系统组成（TF、CS、PF、CC）.......................6图表5：托卡马克磁场流动方向..........................................7图表6：托卡马克装置磁场强度分布......................................7图表7：典型铜基托卡马克装置磁体系统的部分性能参数....................8图表8：典型低温超导托卡马克装置磁体系统的部分性能参数................8图表9：部分商业化高温超导托卡马克主要信息............................9图表10：低温超导和高温超导材料特性对比...............................9图表11：第二代高温超导带材结构和实物................................10图表12：高温超导产业链上中下游情况..................................11图表13：ITER CS磁体（CICC导体结构）................................11图表14：能量奇点“经天磁体”........................................11图表15：ITER项目成本拆分...........................................12图表16：远期Demo项目成本拆分.......................................12图表17：SPARC装置与其他托卡马克装置参数对比........................12图表18：高温超导项目ARC成本拆分....................................13图表19：全球可控核聚变用高温超导材料需求............................13图表20：全球低温/高温超导磁体/带材公司..............................14 3/16 1.磁体升级提升托卡马克科研边界1.1磁约束最接近可控，核心装置为托卡马克1.1.1磁约束是实现可控核聚变工程化的有效路径磁约束是实现可控核聚变工程化的有效路径。根据劳森判据，聚变三乘积大于一定值才能产生有效的聚变功率输出。达到聚变条件后，需要对粒子进行约束来实现长脉冲稳态运行，实现可控核聚变约束有三种途径，即磁约束、引力约束、惯性约束。引力约束无法在地球上实现，惯性约束实现持续的聚变功率输出较为困难，磁约束的能量约束时间较长，工程可行性较强，是实现可控核聚变的有效路径。资料来源：《超导磁体技术与磁约束核聚变》王腾，国联民生证券研究所磁约束技术路线主要分为磁镜、仿星器、托卡马克。磁约束方案是构建强磁场对其内部带电粒子进行运动约束的聚变形式，在磁场中，带电粒子会在洛伦兹力的作用下被束缚在磁场线上，围绕磁场做螺旋运动，其中既包含了垂直磁场方向的圆周运动，也包括了沿磁场方向的直线运动，目前磁约束方案装置类型主要有磁镜、仿星器、托卡马克，它们的区别主要在磁场结构、等离子体约束方式和工程上区别。图表2：磁约束装置：磁镜、仿星器、托卡马克资料来源：《磁约束可控核聚变装置的磁体系统综述》张家龙等，国联民生证券研究所 4/16 请务必阅读报告末页的重要声明 5/16磁镜：磁镜作为一种开放式约束系统，整体形状呈圆柱形，两端通过额外线圈提高磁场强度，以实现粒子反射、限制逃逸的作用。全球磁镜实验装置主要有美国威斯康星大学的WHAM装置。仿星器：仿星器整体呈环状，由一系列线圈环向排列而成，基于完全闭合的环向磁场线来消除因终端损失带来的粒子逃逸问题，通过外加螺旋绕组产生极向磁场以平衡环向场不均匀性引起的粒子偏移，由极向场与环向场叠加形成一个完全包含在环形约束室中的螺旋磁场，实现对其内部带电粒子的运动约束，如德国W7-X项目、日本LHD项目等。托卡马克：托卡马克装置由一系列环向场线圈周向排列而成，用于生成闭合的环向约束磁场。放电时，由中央螺线管/欧姆加热(CS/OH)线圈的变化磁通激励等离子体产生环向电流，该环向电流产生的极向磁场分量与环向磁场耦合，形成约束等离子体的磁场构型，并保障磁面闭合态，还需要极向场线圈来抵消等离子体电流回路及等离子体压力所引起的膨胀力，并保持等离子体形状与稳定性。资料来源：《磁约束可控核聚变装置的磁体系统综述》张家龙等，可控核聚变，国联民生证券研究所1.1.2托卡马克结构和放电过程托卡马克（Tokamak）主要与装置的重要组成部分有关，分别为环形（toroidal）、真 6/16空室（kamera）、磁（magent）、线圈（kotushka），托卡马克的运行方式可以简单理解为装置外部包裹的线圈连接电源之后会产生磁场，强磁场会加热位于装置中心真空室里面的等离子体，继续推动聚变反应。托卡马克线圈结构：环向场线圈（TF）：形状为大型“D”形轮廓，主要负责提供托卡马克装置的环向磁场，限制电离等离子体粒子，通过改变TF线圈电流可以调节磁场的强度和方向。中心螺线管（CS）：中心螺线管由六个模块组成，并附带支撑结构，中心螺线管用于欧姆驱动等离子体电流，CS通过脉冲磁场生成等离子体，是ITER的电磁“心脏”。极向场线圈（PF）：主要作用是在等离子体的产生、上升、成形和平顶各个阶段提供欧姆加热和控制等离子体位形，控制等离子体的形状、位置和稳定性。校正线圈（CC）：在ITER托卡马克装置中，校正场线圈包括6个底部线圈（BCC）、6个顶部线圈（TCC）和6个侧线圈（SCC），主要作用就是对误差场进行校正。以ITER项目为例，ITER磁体系统由18个环向场线圈、6个中心螺旋管线圈、6个极向场线圈、以及18个校正场线圈组成。图表4：ITER项目线圈系统组成（TF、CS、PF、CC）资料来源：中科院等离子体物理研究所，国联民生证券研究所托卡马克放电过程：1）零时刻之前向环形真空室中充入聚变气体，中心螺线管磁体电流加热到峰值。 7/162）零时刻，中心螺线管磁体电流迅速下降，在环形真空室中产生感应电流，加速自由电子发生碰撞，形成等离子体。3）再次充入聚变气体，提高真空室内反应物密度及压强，同时通过射频波和中性束注入等辅助加热手段进一步提高等离子体温度。图表5：托卡马克磁场流动方向图表6：托卡马克装置磁场强度分布资料来源：《聚变堆装置极向场磁体馈电优化研究》陈远洋等，国联民生资料来源：《聚变装置高温超导磁体系统电磁仿真方法研究》徐浩睿等，国联民生证券研究所1.2托卡马克磁体升级路线：从铜基到高温超导材料磁约束聚变装置，磁场越高约束越强，聚变功