可控核聚变专题一:磁体材料更迭驱动托卡马克性能提升
核心观点
- 磁约束是实现可控核聚变工程化的有效路径。可控核聚变约束途径包括磁约束、引力约束和惯性约束,其中磁约束是目前工程化实现的最有效路径。托卡马克作为磁约束的核心装置,其性能提升依赖于磁体材料的升级。
- 托卡马克装置不断升级,磁体材料从铜基到超导材料。早期托卡马克装置使用铜基磁体,随着超导技术的突破,低温超导材料(NbTi/Nb₃Sn)和高温超导材料(BSCCO/REBCO)逐渐应用于托卡马克装置,实现更强磁场和更高约束性能。
- 低温超导已商用,高温超导是趋势。低温超导材料工作温度低,需要液氦冷却;高温超导材料工作温度较高,可在液氮环境下工作,具有更高的临界温度和热稳定性,是未来发展趋势。
- 高温超导托卡马克中磁体价值量占比提升。高温超导托卡马克装置在更小体积内实现更强磁场,磁体系统成本占比显著提升。以ARC项目为例,磁体系统成本占比高达46%。
- 核聚变产业提速,高温超导材料需求快速增长。新一代托卡马克装置以紧凑型、高温超导为趋势,单台装置对高温超导材料需求量巨大,预计2024-2030年行业复合增速为59.3%。
关键数据
- 聚变三乘积大于一定值才能产生有效的聚变功率输出。
- 超导材料具有零电阻、完全抗磁性和量子隧穿效应三大基本特性。
- 低温超导材料临界温度低于40K,需要在液氦环境下工作;高温超导材料临界温度高于40K,可在液氮环境下工作。
- 高温超导材料应用领域市场份额占比最高的为磁体(49.3%),其中可控核聚变占比38%。
- 低温超导材料线圈一般采用CICC绕制,高温超导材料主要为堆叠形式。
- 2024年全球可控核聚变用高温超导材料需求量为3亿元,预计2030年将达到49亿元,2024-2030年复合增速为59.3%。
研究结论
- 磁体材料的升级是托卡马克装置性能提升的关键驱动力。
- 高温超导材料是未来托卡马克装置的发展趋势,具有广阔的市场前景。
- 核聚变产业提速将带动高温超导材料需求的快速增长,相关企业将迎来发展机遇。
相关公司
- 低温超导磁体公司:ASG Superconductors、SIGMAPHI(国外);西部超导等(国内)。
- 高温超导带材公司:Faraday Factory Japan、古河电工(国外);上海超导、苏州新材料研究所等(国内)。
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。